Теория Большого взрыва. Как антиматерия меняет правила игры во Вселенной

Антиматерия давно восхищает ученых, научных фантастов и Голливуд. Вы, наверное, видели фильм "Ангелы и демоны", где группа религиозных фанатиков похищает контейнер с антиматерией из научного центра в Швейцарии, убивает Папу Римского и грозит взорвать Ватикан.

Но это просто кино. В реальной же жизни, утверждают ученые, для синтеза даже грамма этого таинственного вещества нужна вся энергия, производимая на Земле на протяжении многих веков.

Ученым удалось сгенерировать лишь миллиардные доли грамма антиматерии в CERN – уникальном центре Европейской организации ядерных исследований. Однако даже такая незначительная часть антиматерии была достаточной для создания передовых медицинских методов сканирования, известного как PET – позитронно-эмиссионная томография.

И хотя антиматерия окутана легендами и по мистичности ее можно сравнить со Святым Граалем, она имеет потенциал совершить революцию в нашем понимании Вселенной и трансформировать многочисленные отрасли.

Это новый текст LIGA.net: разбираем природу и потенциал антиматерии – вместе с ведущими физиками CERN, университетов Орхуса, Беркли, Миннесоты, Калифорнии, института Perimeter и Centre de Physique Théorique.

Что такое антиматерия и почему она важна

Основные строительные блоки нашей Вселенной в области физики известны как элементарные частицы. В том числе к этим частицам относятся электроны, протоны и нейтроны, вместе образующие атомы.

Земля, Солнце, вода и все мы созданы из материи. Но как насчет антиматерии? Если говорить простыми словами – это "двойник" обыкновенной материи.

Современные физики бьются над тем, чтобы хоть чуть-чуть приподнять занавес мистики, которым окружена антиматерия. И продвижение идет, но медленно.

Месяц назад, в сентябре, международная группа физиков в CERN смогла доказать, что антиматерия так же подчиняется гравитационной силе, как и материя.

Это открытие стало результатом многих лет работы и подтвердило ключевые взгляды ученых на Вселенную. Если бы оказалось, что антиматерия от гравитации поднимается, это перевернуло бы все представления о мире.

Антиматерия состоит из античастиц, являющихся практически противоположным отражением материи и имеющих ряд противоположных характеристик.

Когда материя и антиматерия сталкиваются, они аннигилируют друг друга. При этом они взрываются и высвобождают огромное количество энергии в виде фотонов гамма-излучения, грубо говоря – света.

Природу этого явления подробнее LIGA.net объяснил доктор Карло Ровелли.

Карло Ровелли – итальянский физик-теоретик. Он почетный приглашенный исследователь в Институте теоретической физики Perimeter (Канада).

При аннигиляции 1 кг вещества (500 г антиматерии и 500 г материи) может выделиться энергия около 25 млрд кВт-ч. Для сравнения, аналогичное количество энергии производится в Украине за два месяца.

Именно процесс аннигиляции является ключевым компонентом, который делает антиматерию интересной для ученых, поскольку это может стать высокоэффективным и компактным источником энергии.

Истоки антиматерии прослеживаются до Большого взрыва, породившего нашу Вселенную. Считается, что в интенсивном тепле и энергии ранней Вселенной материя и антиматерия были созданы практически в одинаковом количестве.

Частицы и античастицы рождались четно. Между количеством субатомных частиц и античастиц была мелочная разница – одна миллиардная. То есть на миллиард кварк-антикварковых пар во Вселенной приходился только один лишний кварк без пары.

Дальше Вселенная охлаждалась и расширялась, кварки и антикварки аннигилировали, а один нескомпенсированный кварк оставался. Он объединялся в протоны и нейтроны, которые и создали всю Вселенную.

Остановитесь на этом месте в тексте и задумайтесь. Залогом существования всей нашей Вселенной и нас самих было случайное исключение – один беспарный кварк на миллиард пар кварк-антикварков. В большинстве случаев ученые просто пренебрегли бы такой погрешностью.

Вот вам эффект бабочки в концентрированном состоянии.

В 1967 году эту теорию обосновал советский академик Андрей Сахаров, а в 1972 году японские ученые Макото Кобаяси и Тосихиде Маскава поняли, почему отличаются частицы и античастицы.

"Этот вопрос, известный как проблема асимметрии бариона, является одним из больших нерешенных вопросов современной физики и побуждает к экспериментам, измеряющим фундаментальные свойства антиматерии, чтобы сравнить их с точно известными эквивалентными величинами в материи", – говорит LIGA.net доктор Даниэль Ходжкинсон, член исследовательской группы ALPHA в CERN.

Неожиданная разница в этих свойствах может быть ключом к тому, как научные теории, возможно, придется пересмотреть – чтобы объяснить Вселенную, где доминирует материя, говорит доктор Даниэль.

Большой адронный коллайдер и замедлитель

Один из начальных этапов создания антиматерии происходит в частности на всемирно известном Большом адронном коллайдере (LHC), расположенном в CERN, на границе Швейцарии и Франции.

Саквин Ив работал над определением структурных функций протона и нейтрона в CERN, обнаруживал космические нейтрино (очень малые субатомные частицы. – Ред.) на дне Средиземного моря. Сейчас он работает в проекте GBAR, целью которого является производство ультрахолодных атомов антиводорода для измерения влияния гравитации Земли на антиматерию.

Меньший ускоритель, протонный синхротрон (PS), используется для ввода протонов в Большой адронный коллайдер. Одновременно он используется в производстве антиматерии, в частности, антипротонов. Когда протоны сталкиваются при очень больших энергиях, антипротоны образуются в огромных количествах.

Однако это только начальный этап антиматериального синтеза. Далее, чтобы создать антиматерию, нужны не ускорители, а замедлители. Там скорость античастиц значительно уменьшают, и можно делать из них антиатомы. Это позволяет исследовать их свойства.

Эти составляющие антиматерии используют для разных научных экспериментов, способствуя пониманию фундаментальных сил Вселенной.

В частности, в CERN практически каждый день создают атомы антиводорода, и это стало своеобразной рабочей рутиной, как говорят сами физики.

Кроме того, физики синтезировали некоторые ядра антигелия.

Антиводород и антигелий

Водород – самый простой элемент в периодической таблице. Гелий – это второй простой элемент после водорода. Каждый атом состоит из ядра и вращающихся электронов.

В то время когда ядро водорода – это один-единственный протон, то ядро гелия – это два протона и два нейтрона. Соответственно, ядро антигелия – это два антипротона и два антинейтрона. И мы не можем просто по отдельности взять эти частицы и слепить их вместе. Во-первых, оперировать ими поштучно нельзя, а во-вторых, время их жизни очень мало.

Потому ученые банально ждут, пока нужные частицы сами соберутся в необходимом порядке и образуют то, что нужно. Вероятность этого, как можно себе представить – невелика, поэтому в экспериментах образуется мизерное количество ядер антигелия, которые к тому же живут недолго.

"Антипротоны сначала образуются путем выстрела протонов из протонного синхротрона (PS) CERN в мишень, – объясняет доктор Ходжинсон. – Некоторые из продуктов этого столкновения являются антипротонами, которые могут быть сформированы в луч и замедлены в антипротонном замедлителе (AD) CERN. Позитроны получают из радиоактивного источника натрия и формируются в плазму посредством накопителя".

Атомы антигелия до сих пор не созданы.

"Единственное, что было в моем эксперименте – это создание антиводорода. Мы видели немного ядер антигелия, пару раз в столкновениях, но мы не можем с ним работать", – рассказывает LIGA.net профессор Джеффри С. Хангст.

Однако атомы антиводорода создавались достаточно успешно, и физикам даже удалось изучить некоторые их характеристики. Для атома антиводорода нужны только две частицы, чтобы антипротон связался с позитроном.

"Для исследования антиводородных атомов мы начинаем с антипротонной плазмы и позитронной плазмы. Мы соединяем их вместе. Они образуют антигидрогеновые атомы. Мы можем получить облако примерно из тысячи антиатомов одновременно внутри этого пространства. И тогда мы можем изучать антиатомные свойства, освещая лазером и глядя на спектры", – говорит LIGA.net профессор Джоэл Файанс.

Так что же мы можем изучать в антиатомах? Мы знаем, что у античастиц противоположны значения электрических зарядов и некоторые физические характеристики, а вот массы, например, одинаковы.

А что еще у них одинаковое? Или все равно на них действует сила тяжести? Все равно они ведут себя при идентичных начальных условиях?

Эти вопросы остаются у физиков открытыми.

Вот это изучение симметрии/асимметрии критически важно, потому что в теории они должны быть симметричны, а на практике с симметрией наша Вселенная должна самоуничтожиться еще в начале существования. Поэтому выявляется такой парадокс, решение которого может пролить свет на фундаментальные физические законы и свойства вещества в самом его существе.

Инвестиции в антиматерию

Развитие технологии антиматерии является дорогостоящим и амбициозным мероприятием. Ученые и организации по всему миру инвестировали значительные ресурсы в исследования, инфраструктуру и эксперименты, чтобы использовать ее силу.

Такие институты, как CERN, сыграли ключевую роль в продвижении нашего понимания антиматерии и потенциальных возможностей.

Чтобы построить только Большой адронный коллайдер в CERN, потребовалось 20 лет и 4,75 млрд долларов. Теперь ежегодно на его развитие и опыты уходит не менее миллиарда. Сам CERN существует уже более 70 лет.

На содержание CERN выделяют средства 23 государства. Страны-члены CERN финансируют программу, чуть более 80% годового бюджета предоставляют Германия, Великобритания, Италия, Франция и Испания. Среди других участников – правительства Соединенных Штатов и Индии.

До 2022 года Россия и ее ученые принимали участие в программах и исследовательских группах CERN, однако после начала российско-украинской войны руководство программы запретило любое сотрудничество с РФ.

В 2038 году CERN планирует построить новый суперколлайдер протяженностью 100 километров за 23 миллиарда долларов.

Правительство Германии в 2027 году планирует начать строительство антипротонной фабрики у Франкфурта, говорит LIGA.net доктор Нильс Басслер.

"Новая фабрика должна быть огромных размеров, и ожидается, что немцы смогут получить в 100 раз более яркие и интенсивные пучки антипротонов, чем пучок антипротонов CERN", – рассказал доктор Басслер.

Финансовые инвестиции в сферу антиматерии начинаются со строительства и эксплуатации крупных ускорителей и замедлителей частиц и заканчиваются разработкой методов сдерживания антиматерии. Точные цифры могут отличаться, ресурсы, предназначенные для исследования антиматерии, измеряются сотнями миллионов долларов.

Размеры инвестиций в другие единичные исследовательские проекты определить довольно трудно, и это не позволяет нам назвать это действительно "рынком" антиматерии. Однако инвестиции в проекты CERN достаточно значительны.

Это недвусмысленно свидетельствует о перспективности технологии, поскольку Швейцария не занимается рискованными активами.

Практическое применение

Физики не создают антиматерию только для научного куража. Всему этому уже существует реальное применение.

Да, позитроны применяют для медицинской визуализации. Это одна из самых перспективных сфер применения антиматерии.

Позитронно-эмиссионная томография (PET) использует изотопы, излучающие позитроны, для визуализации и диагностики различных заболеваний, в том числе рака.

Существует много радиоизотопов, которые при распаде высвобождают позитрон. Чаще всего в медицине используется фтор-18(F18). Ученые присоединяют F18 к глюкозе, которую затем вводят пациентам. Везде, где в организме потребляется глюкоза, также потребляется F18-глюкоза.

"Раковые опухоли потребляют гораздо больше глюкозы, чем нормальные клетки, поэтому много F18-глюкозы поглощается опухолями. Когда F18 высвобождает позитрон в рак, он немедленно встречает электрон и аннигилирует. Два фотона высвобождаются и обнаруживаются кольцом детекторов вокруг пациента, подключенных к компьютерной системе, которая вычисляет происхождение события аннигиляции", – объясняет LIGA.net доктор Кейсуке Стивен Ивамото.

Доктор Кейсуке Ивамото – профессор радиационной онкологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и автор 50 публикаций о применении антиматерии в медицине.

В опухоли происходит много схожих аннигиляций, которые употребляются для создания изображения постороннего образования внутри тела. Специальный аппарат, выполняющий весь этот процесс, называется сканером PET (позитронно-эмиссионная томография).

PET можно использовать, например, в исследованиях мозга.

Мозг использует глюкозу для получения энергии больше, чем другие органы в теле, и ее использование растет вместе с активностью – люди тратят много энергии, когда думают.

Поэтому ученые могут составить карту мозга, чтобы увидеть, какие части активны во время разных мыслей или эмоций. При исследованиях деменции врачи часто полагаются на PET сканирование.

Помимо сканирования ученые работают непосредственно над тем, как применить антиматерию для лечения рака. Да, один из тех, кто этим занимается – доктор Нильс Басслер из университета Орхуса.

Доктор Басслер объясняет LIGA.net , что лечение антипротонами может уничтожать опухоль вдвое эффективнее, чем лечение рака наиболее продвинутыми методами протонного воздействия.

"Опухоль можно уничтожать почти вдвое эффективнее. Однако этого недостаточно, чтобы построить установку, предназначенную для антипротонной радиационной терапии. Это очень дорого. Нужна сумма в пределах 1 млрд долларов, чтобы построить специальный антипротонный завод. Это в 10 раз больше, чем на обычный протонный ускоритель", – говорит он.

Доктор Басслер рассказывает, как ученые исследовали облучение антиматерией живых клеток: "Ученые поместили клетки китайского хомяка в гелевой матрице в маленькую трубку. Сначала их подготовили в Маастрихте, затем в Орхусе положили на лед и доставили в Женеву в CERN, на несколько часов, а затем вывезли самолетом в Орхус. Все должно было произойти очень быстро, потому что они долго не живут".

Несмотря на значительную эффективность доктор сомневается в том, что в ближайшие 10 лет кого-то из пациентов будут лечить такими методами.

Еще одно перспективно-революционное применение антиматерии – двигатели. Имея достаточное количество топлива антиматерии, мы могли бы планировать путешествия за пределы нашей Солнечной системы и исследовать далекие галактики.

Теоретически для этого было бы достаточно грамма антиматерии. Это можно легко вычислить по уже знакомой формуле Эйнштейна для измерения энергии: E=mc².

По расчетам один грамм антиматерии может заменить около 10 000 тонн ракетного топлива. Притом что, например, ракета Falcon 9 вмещает всего лишь около 400 тонн топлива.

Пока на антиматерии не летают, а ищут ее в космосе. Этим, в частности, занимаются ученые на МКС и NASA.

Так, еще в 2006 году группа из 60 астрофизиков во главе с профессором Пьерджорджо Пикоца дала старт эксперименту под названием PAMELA.

Ученые запустили в космос спутник Resurs DK1, разработанный для изучения заряженных частиц в космическом излучении с особым акцентом на античастицах. Этот спутник буквально нашпигован оборудованием для обнаружения антиматерии в космосе.

"Аннигиляция электронов и позитронов дает гамма-луч очень определенной энергии – 5,11 кэВ (килоэлектронвольт – единицы энергии в квантовой механике. – Ред). Поэтому гамма-телескоп отслеживает этот энергетический диапазон, чтобы увидеть, где-то есть какая аннигиляция. Они видят это обычно в аккрецирующих звездах, или космических лучах, но это не мир антиматерии, это просто происходит время от времени, поэтому мы не можем увидеть месторождение антиматерии", – объясняет LIGA.net доктор Саквин Ив.

Однако использовать антиматерию для движения непросто – человечество еще не владеет инструментарием, который позволил бы сгенерировать один грамм антиматерии и удержал бы ее в стабильном состоянии.

"Несколько лет назад физики CERN оценили общее количество антипротонов, созданных с начала его работы. И подсчитали, что энергии, которую они представляют, достаточно, чтобы разогреть чашечку эспрессо", – говорит Ив.

Однако обольстительные перспективы являются мощным стимулом для продолжения научных исследований и разработок в области антиматерии.

Антиматерия уже сейчас используется для определения характеристик поверхностей материалов с высокой точностью, что очень важно, например, для кремниевых пластин в полупроводниковой промышленности.

Гипотетически антиматерия может применяться в качестве оружия. Чистая энергия, высвобождающаяся в результате аннигиляции материи и антиматерии, в перспективе делает ее грозным источником разрушения.

Однако без природного месторождения антиматерии этого сделать невозможно, убеждает LIGA.net доктор Саквин Ив.

Кроме того, антиматерию можно использовать в качестве источника энергии.

Но и здесь не всё просто.

"Теоретически – да. На практике – абсолютно нет. Антиматерия не является ресурсом, который можно добывать. Его нужно создавать, а делать это невероятно дорого. Кроме того, этот процесс неэффективный. Для создания антиматерии нужно гораздо больше энергии, чем можно получить", – говорит профессор Джоэл Файанс LIGA.net.

Профессор Файанс является преподавателем университета Беркли и возглавляет исследовательскую группу Фаянса-Вюртеле по физике плазмы и антиводорода.

В обозримом будущем сложность массового производства антиматерии остается огромным препятствием для коммерческих целей.

Об этом LIGA.net больше рассказывает доктор Михаил Шифман.

Пока максимальный рекорд сохранения антиматерии – это один год. Этот рекорд поставила не так давно команда японских физиков в CERN. До этого максимальный рекорд составлял 16 минут.

Антиматерия имеет потенциал изменить историю человечества или по крайней мере экспоненциально ускорить развитие общества и технологий.

Однако, как и повсюду в других местах, здесь работает закон Парето, который свидетельствует, что 20% усилий приносят 80% результата, в то время как 80% остальных усилий дают лишь 20% к результату.