Gli oggetti dell'Universo - galassie, stelle, quasar, pianeti, supernove, animali e persone - sono composti di materia. È formato da varie particelle elementari: quark, leptoni, bosoni. Ma si è scoperto che ci sono particelle in cui una parte delle caratteristiche coincide completamente con i parametri degli "originali", e l'altra ha valori opposti. Questa proprietà ha spinto gli scienziati a dare all'aggregato di tali particelle il nome generico di "antimateria".
È diventato anche chiaro che studiare questa misteriosa sostanza è molto più difficile che registrarsi. Le antiparticelle in uno stato stabile non sono state ancora incontrate in natura. Il problema è che la materia e l'antimateria si annichilano (si annichilano reciprocamente) al "contatto". È abbastanza possibile ottenere l'antimateria nei laboratori, sebbene sia abbastanza difficile contenerla. Finora, gli scienziati sono stati in grado di farlo solo per pochi minuti.
Secondo la teoria, il Big Bang avrebbe dovuto produrre lo stesso numero di particelle e antiparticelle. Ma se materia e antimateria si annichilano l'una con l'altra, allora avrebbero dovuto cessare di esistere allo stesso tempo. Perché esiste l'universo?
“Più di 60 anni fa, la teoria affermava che tutte le proprietà delle antiparticelle coincidono con le proprietà delle particelle ordinarie nello spazio riflesso allo specchio. Tuttavia, nella prima metà degli anni '60 si è scoperto che in alcune lavorazioni questa simmetria non è soddisfatta. Da allora sono stati creati molti modelli teorici, sono state condotte dozzine di esperimenti per spiegare questo fenomeno. Ora le teorie più sviluppate sono che la differenza nella quantità di materia e antimateria è associata alla cosiddetta violazione della simmetria CP (dalle parole carica - "carica" e parità - "parità"). Ma nessuno sa ancora una risposta affidabile alla domanda sul perché ci sia più materia che antimateria ", spiega Alexey Zhemchugov, professore associato del Dipartimento di problemi fondamentali e applicati di fisica del Micromondo dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca.
La storia dell'antimateria è iniziata con l'equazione del moto per l'elettrone, che aveva soluzioni in cui possedeva energia negativa. Poiché gli scienziati non potevano immaginare il significato fisico di energia negativa, hanno "inventato" un elettrone con una carica positiva, chiamandolo "positrone".
È diventato la prima antiparticella scoperta sperimentalmente. L'installazione, che registra i raggi cosmici, ha mostrato che la traiettoria del movimento di alcune particelle in un campo magnetico è simile alla traiettoria di un elettrone, solo che vengono deviate nella direzione opposta. Quindi è stata scoperta la coppia mesone-antimesone, sono stati registrati l'antiprotone e l'antineutrone e quindi gli scienziati sono stati in grado di sintetizzare l'antiidrogeno e il nucleo di antielio.
Traiettorie di moto di un elettrone e di un positrone in un campo magnetico / Illustrazione di RIA Novosti. Alina Polyanina
Cosa significano tutti questi "anti"? Di solito usiamo questo prefisso per denotare il fenomeno opposto. Per quanto riguarda l'antimateria, può includere analoghi di particelle elementari che hanno carica opposta, momento magnetico e alcune altre caratteristiche. Naturalmente, tutte le proprietà di una particella non possono essere invertite. Ad esempio, massa e durata dovrebbero rimanere sempre positive, concentrandosi su di esse, le particelle possono essere attribuite a una categoria (ad esempio, protoni o neutroni).
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Se confrontiamo un protone e un antiprotone, alcune delle loro caratteristiche sono le stesse: la massa di entrambi è 938.2719 (98) megaelettronvolt, spin ½ (lo spin è chiamato momento angolare intrinseco di una particella, che caratterizza la sua rotazione, mentre la particella stessa è a riposo). Ma la carica elettrica del protone è 1 e l'antiprotone ha meno 1, il numero barionico (determina il numero di particelle fortemente interagenti costituite da tre quark) 1 e meno 1, rispettivamente.
Protone e antiprotone / Illustrazione di RIA Novosti. Alina Polyanina
Alcune particelle, come il bosone di Higgs e il fotone, non hanno anti-analoghi e sono chiamate vero neutro.
La maggior parte delle antiparticelle, insieme alle particelle, compaiono in un processo chiamato accoppiamento. La formazione di una tale coppia richiede un'elevata energia, cioè un'enorme velocità. In natura, le antiparticelle sorgono quando i raggi cosmici entrano in collisione con l'atmosfera terrestre, all'interno di stelle massicce, accanto a pulsar e nuclei galattici attivi. Gli scienziati usano acceleratori di collisori per questo.
Sezione in accelerazione del Large Hadron Collider, dove le particelle vengono accelerate / Foto: CERN
Lo studio dell'antimateria ha applicazioni pratiche. Il punto è che l'annientamento della materia e dell'antimateria genera fotoni ad alta energia. Diciamo che prendiamo un banco di protoni e antiprotoni e iniziamo a rilasciarli gradualmente l'uno verso l'altro attraverso un tubo speciale, letteralmente uno alla volta. L'annientamento di un chilogrammo di antimateria rilascia la stessa quantità di energia che brucia 30 milioni di barili di petrolio. Centoquaranta nanogrammi di antiprotoni sarebbero sufficienti per un volo su Marte. Il problema è che ci vuole ancora più energia per generare e trattenere l'antimateria.
Tuttavia, l'antimateria è già utilizzata nella pratica, in medicina. La tomografia a emissione di positroni viene utilizzata per la diagnostica in oncologia, cardiologia e neurologia. Il metodo si basa sulla consegna di materia in decomposizione con l'emissione di un positrone a un organo specifico. Ad esempio, una sostanza che si lega bene alle cellule tumorali può fungere da trasporto. Nell'area desiderata si forma una maggiore concentrazione di isotopi radioattivi e, di conseguenza, positroni dal loro decadimento. I positoni si annichilano immediatamente con gli elettroni. E possiamo abbastanza fissare il punto di annientamento registrando quanti gamma. Pertanto, con l'aiuto della tomografia a emissione di positroni, è possibile rilevare una maggiore concentrazione della sostanza di trasporto in un determinato luogo.
