Антиматерията: надценен мит или субстанцията на бъдещето

Целият материален свят се състои от три частици: електрони, протони и неутрони. Но всяка от тях си има свой собствен антипод, при среща с който се получава мощно освобождаване на енергия. Къде са изчезнали всички тези античастици, можем ли да ги създаваме и имаме ли нужда от това?

Какво е антиматерия?

Антиматерията (или антивеществото) е материя, съставена от античастици. Като всяка друга материя, антиматерията се състои от атоми, които от своя страна се състоят от протони и неутрони (ядрото на атома) и електрони (външната обвивка на атома). С едно уточнение, че това са антипротони, антинеутрони и антиелектрони, като последните, между другото, си имат име – позитрони.

Всички горепосочени античастици имат същите характеристики на обикновените частици, но имат противоположен електрически заряд. Тоест антипротоните са с отрицателен заряд, за разлика от “обикновените” им близнаци, а позитроните са с положителен заряд, което ги отличава от отрицателно заредените електрони. Може да се предположи, че неутронът сам по себе си представлява собствената си античастица, след като няма заряд? Но не е така. Съществуват и антинеутрони. Работата е там, че неутроните са изградени от кварки (също като протоните), а кварките също си имат свои собствени античастици – антикварки, които изграждат антинеутрона. Освен това, когато неутрон и антинеутрон се срещнат, те също анихилират, както се случва при другите двойки частица и античастица.

Къде да открием антиматерията?

Античастиците се образуват както в ядрата на активните галактики, така и в ускорителите на Земята и то заедно с частиците. Но веднага след това частиците и античастиците при среща анихилират. Понастоящем са известни три обстоятелства на Земята, при които може да се открие антиматерия или по-скоро античастици.

Първо, те се образуват в горните слоеве на атмосферата под въздействието на космическите лъчи, които имат (в мащаба на елементарните частици) висока енергия и при срещата им със земните частици възникват процеси, подобни на тези в ускорителите.

Второ, античастиците се образуват по време на разряд на мълния. Мълниевият разряд е вид естествен реактор. Гама-квантите, получаващи се при този разряд, са достатъчно мощни, за да избият един неутрон от атмосферния азот. Така се образува нестабилният азотен изотоп 13N. Неговият период на полуразпад е по-малък от 10 минути, т.е. най-активният период за емисия на позитрони по време на разпадането на азот-13 до въглерод-13 е доста кратък. Именно този период на нискоенергийно гама лъчение , който е доста кратък по човешките стандарти, но прекалено дълъг по стандартите на елементарните частици, е наблюдаван от учени от Япония. Те са записали три изблика на гама-лъчение от мълния, като последният, който продължил около минута, им се сторил подозрителен – това бил сигнал за анихилация на двойки електрон-позитрон.

И накрая, античастиците се образуват в ускорителите, най-често като страничен продукт от други експерименти. Понастоящем наблюдението на античастици в колайдерите вече не предизвиква кой знае какъв интерес в научния свят, тъй като загадките, свързани с античастиците, не са във факта, че ги има, а с това защо има толкова малко от тях във Вселената при положение, че в ускорителите те се образуват в равно съотношение с частиците?

Антиматерия и материя

Предполага се, че в ранните етапи от съществуването на Вселената симетрията между частиците и античастиците е била нарушена, като преобладаването на частиците се оценява като 1 частица на 1 милиард двойки частица-античастица. Почти всички античастици са анихилирали при среща с частици и това е причината , поради която наблюдаваме толкова незначителен брой от тях.

Възможно е нарушаването на симетрията в ранната Вселена по някакъв начин да е било свързано с разликите в свойствата на такива кратко съществуващите частици като K-мезоните и съществуващите разлики в свойствата на материята и антиматерията поради съществуването на три поколения кварки. Освен това през юни 2021 г. учени от Оксфорд установиха, че може би това по някакъв начин е свързано и с очарованите мезони , които представляват кратко съществуващи частици и могат да превключват между две състояния: на частици и античастици.

Така или иначе, целият видим свят на теория се състои от частици. Поне достъпният за нас свят е материя. Освен това, от целия огромен набор от частици, светът, който познаваме, се състои само от три вида: два са нуклони: протони и неутрони (те се наричат нуклони, защото образуват ядрото на атом) и електрони във външната обвивка на атомите. Феноменът с огромното преобладаване на частиците, е получил името Барионната асиметрия на Вселената. Барионите са тежки частици, към които се отнасят протоните и неутроните. Съществуват и други тежки частици, състоящи се от кварки, които също принадлежат към семейството на барионите като всеки барион има си има антибарион, който се състои от съответните антикварки. Но всички тези частици имат изключително кратък живот, така че не оказват влияние.

Барионната асиметрия е изключително важен въпрос за космологията и физиката на елементарните частици. Ако във Вселената имаше равен брой бариони и антибариони, то нямаше да има разлика в свойствата между материята и антиматерията и цялата Вселена би се превърнала в излъчване . Съществуват хипотези, че може би материята и антиматерията не са били „смесени“ равномерно в ранната Вселена и просто са били разпръснати в различни посоки, като материята преобладава в „нашия си ъгъл“, а някъде другаде има области, където антизвездите образуват антигалактики?

Теоретично това е възможно, но много малко вероятно, тъй като плътността на ранната Вселена е била твърде висока, за да могат големи сгъстявания от материя и антиматерия просто да се разпръснат в различни посоки, без да осъществят контакт преди това.

И все пак търсенето на антизвезди продължава. За да бъдат те открити е необходимо да се регистрират антихелиеви ядра, тъй като само антихелият може да гарантира, че не е образуван под въздействието на космически лъчи. Антипротоните и антидейтрони (ядрото на тежкия изотоп на водорода – деутерий, който се състои от антипротон и антинеутрон) не могат да гарантират това. Ядрото на антихелия не може да се „сглоби“ случайно, така че ако такова бъде регистрирано, това означава, че е долетяло до нас като продукт на термоядрени реакции, протекли на антизвезда.

През 2021 г. беше публикувана статия, в която е показан каталог от 14 кандидати за антизвезди, на база данните от космическия телескоп Fermi, който е регистрирал именно ядра на антихелий.

Антиматерията и тъмната материя

Много е важно е да не се бърка антиматерията с тъмната материя. Въпреки сходния воал на мистерия, спуснат около двата феномена и в известен смисъл сходните епитети, добавени към думата “материя” в името на всеки от тях, това са напълно различни феномени.

Тъмната материя е получила името си поради факта, че не влиза в електромагнитни взаимодействия, тоест не излъчва светлина. Тя се регистрира като присъстваща маса, която упражнява гравитационно привличане и влияе върху движението на звездите в нашата и други галактики, тоест, звездите не се въртят около центъра на галактиката, както би трябвало да бъде, базирайки се само на видимата маса. С други думи, или законите на Нютон не са верни за макрообектите, или има скрита маса, която учените все още не могат да регистрират.

Тъмната материя теоретично се определя около 82-85% от цялата материя във Вселената (енергията не е вещество, така че изключваме друг мистериозен феномен – тъмната енергия).Останалите 15-18% са делът на обикновената материя, която ни е позната. Делът на антиматерията в тази съвкупност е твърде незначителен и се оценява на 10⁻¹⁰ (т.е. една десетмилиардна) по отношение на материята.

Предсказването на антиматерията

В много свободна и интуитивна форма антиматерията е предсказана от Артър Шустър, който въвежда термина през 1898 г. Година след откриването на електрона от Джоузеф Томсън, Шустер е предположил, че електронът трябва да има частица близнак. В писмата си до списание Nature той се опитвал да убеди научната общественост, че е прав, но е нямал никакви доказателства, а само гола интуиция и в много отношения грешна логика, така че никой в него момент не разглеждал идеите на Шустър сериозно, а самият той бил смятан за голям ексцентрик.

Откриването на антиматерията

Съществуването на антиматерията е предсказано през 1928 г. от известния английския физик теоретик от швейцарски произход Пол Дирак, който е извел уравнение за описание на електрона, за което получава Нобелова награда за физика през 1933 г. (споделя го с Ервин Шрьодингер с официална формулировка „За откриването на нови производствени форми на атомна енергия“). Уравнението на Дирак може да бъде решено и за частица с отрицателна енергийна стойност и следователно с отрицателна маса. От математическа гледна точка това е възможно, но би създало много проблеми със спазването на физичните закони. От това следва, че трябва да има частица с масата на електрон, но с противоположен електрически заряд. Тази частица е открита през 1932 г. от Карл Дейвид Андерсън, американски физик експериментатор, за което той получава Нобеловата награда за физика през 1936 г.

Как се получава антиматерията?

Често наричат антиматерията “най-скъпата субстанция в света”. Твърди се, че 1 грам антиматерия струва 63,5 трилиона долара. Но това твърдение е прекалено подвеждащо. Факт е, че антиматерията не се продава или купува, а всъщност получената по време на експерименти антиматерия едва ли е повече от една милионна от грама. Важно да се отбележи, че получаването на античастици и получаването на атоми от антиматерия от тях представляват две различни задачи, като втората е много по-трудна от първата.

Вероятно в последно време прекаленият шум около антиматерията и нейните невероятни енергийни свойства дойдоха от романа на Дан Браун „Ангели и демони“, чийто сюжет се върти около кражбата на контейнер с антиматерия, вероятната му експлозия, която би унищожила Ватикана, и приключенията, свързани с опита да се спре това фатално събитие . Но не трябва да се бърка художествената измислица с реалността. Количеството антиматерия, което се създава по експериментален път, е твърде незначително – броенето не стига дори до микро (една милионна) или нано- (една милиардна) грама, а до атоми. Антиатомите, ако могат да бъдат получени от античастици, се улавят с помощта на магнитни капани, тъй като не бива те да взаимодействат с атоми на материята. С тяхна помощ се провеждат опити, изучават се свойствата им, но животът им е много кратък според обичайните стандарти и става въпрос за секунди, а в редки случаи – минути.

Какви биват античастиците

Антиводородът не е единствената антиматерия, която е експериментално получена. В хода на различни експерименти са наблюдавани антидеутерий (изотоп на антиводорода, в чието ядро има антинеутрон), антитритий (в него има два антинеутрона), антихелий-3 и антихелий-4.
Но тъй като цената се ражда в пресечната точка на търсенето и предлагането, а в случая с антиматерията няма нито едното, нито другото, а само получаване на антиматерия с научна цел, то и разговорите за евентуална цена в момента са безсмислени.

Приложения на антиматерията

Антиматерията в медицината

Един от най-съвременните методи за изследване на вътрешните органи на човек или животно, се нарича позитронно-емисионна томография или PET и се основава на излъчването на електронни античастици – позитрони.

В тялото на пациента се инжектира специално вещество, наречено радиофармацевтик. В него се съдържа радионуклид, т.е. вещество, чието атомно ядро е нестабилно (от латински nucleus – ядро). Обикновено за това се използват по-леки изотопи на следните четири елемента – въглерод, азот, кислород и флуор. Тези изотопи за разлика от стабилните атоми на тези елементи имат един неутрон по-малко и с течение на времето в много кратък период се разпадат с излъчване: протонът се превръща в неутрон и излъчва позитрон и електронно неутрино. Оставяйки настрана другите процеси и разглеждайки само позитрона, може да се каже, че той доста бързо се „охлажда“ до нискоенергийно състояние и се среща с електрон в тялото на пациента. Двойката анихилира с изпускането на два гама кванта, които летят в противоположни посоки. Детекторите, разположени около пациента, регистрират тези кванти и тъй като те летят по права линия, се оказва много лесно да се изчисли мястото, от което са тръгнали.

При PET сканирането се предпочита използването на радиоактивният изотоп флуор-18, тъй като той има доста дълъг период на полуразпад от 109,8 минути (т.е. времето, необходимо на половината от атомите флуор-18 да се превърнат в кислород) и сравнително ниска доза облъчване за пациента, а анихилационните гама-кванти в никакъв случай не са безвредни.

Например при диагностициране на рак на пациента се дава малко количество глюкоза (флуородезоксиглюкоза – FDG), която съдържа радионуклид. Тъй като раковите клетки се делят неконтролируемо и се нуждаят от енергия за това, те абсорбират глюкоза в големи количества. Концентрацията на глюкоза в раковите клетки води до повишена емисия на позитрони в злокачествения тумор и по този начин той да се визуализира с помощта на PET скенера.

Позитронно-емисионната томография не е безобидна – дозата на облъчване при стандартно PET сканиране с FDG е 14 милисиверта (mSv). За сравнение, това представлява облъчването при приблизително 450 часа полет в пътнически лайнер на стандартна височина или 28% от безопасната годишна доза според МАГАТЕ.

Антиматерията в енергетиката

Използването на анихилационна енергия за военни или енергийни цели изглежда много привлекателно, но само на пръв поглед. Причината е същата – производството на антивещество от античастици е не само много скъп бизнес, но и с много кратък „срок на годност“. За да се генерира енергия за космически полети или получаването на електроенергия, антиматерията трябва не само да се произвежда, но и да се съхранява по някакъв начин, и да се доставя до местата, където ще бъде използвана. Засега няма проучвания за възможността за промишлено производство, съхранение и използване на антиматерия.

Благодарение на писателите фантасти антиматерията се превърна в един от най-често срещаните атрибути в космическото бъдеще на човечеството. Например, благодарение на уарп двигателя, използващ анихилирането на антиматерия, астронавтите от звездния кораб Enterprise от сагата Стар Трек можеха да летят навсякъде из галактиката. За съжаление в реалния живот сме все още твърде далеч от използването на антиматерията за нуждите на човечеството.