Природа

Загадочная антиматерия: почему мы до сих пор не используем этот источник энергии

Люди хорошо изучили антиматерию и нашли ей применение, но стать энергоресурсом она пока не смогла. Фото iStock

Автор

Екатерина Жданова

Опубликовано

24 ноября 2022

Опубликовано

24 ноября 2022

Взгляните на свой палец. Он состоит из кожи, мышц, костей, хрящей, нервов. Эти ткани — набор связанных молекул, которые собраны из атомов. Атомы состоят из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Каждая из таких частиц имеет брата-близнеца — античастицу — с такой же «внешностью», но противоположным «характером». Античастицы образуют антиматерию, или антивещество.

Частицы и их противоположности имеют одинаковые массы и спин, но отличаются зарядом. Например, противоположность отрицательно заряженного электрона — это позитрон (positive electron), положительно заряженного протона — антипротон. Если взять античастицы и «собрать» из них атомы, а затем из атомов — молекулы, получится антивещество.

Пожать руку, состоящую из антиматерии, не получится: как только электроны на кончиках наших пальцев «дотронутся» до позитронов в руке человека из антивещества, произойдет реакция аннигиляции. Частицы и античастицы взаимно уничтожатся, частично или полностью превратившись в чистую энергию — фотоны. Это «частички» электромагнитного излучения, например видимого света или рентгеновских лучей в кабинете врача. Медленный электрон и его античастица позитрон полностью исчезают при соприкосновении, и вместо них обычно образуются два фотона — вещество превращается в яркую вспышку света.

Эмиль Ахмедов

Эмиль Ахмедов

заведующий кафедрой теоретической физики МФТИ

Если бы мы могли сделать предмет из антивещества, он так же отражал бы и рассеивал свет, как предмет из обычного вещества. Мы не отличили бы на глаз, скажем, «камень» из антивещества от обычного камня.

Античастицы вокруг нас

Бананы богаты калием: один фрукт содержит почти полграмма этого микроэлемента. Сотая процента всего природного калия радиоактивна, и в одном из ста тысяч случаев ядро такого калия может самопроизвольно «выплюнуть» античастицу, позитрон, и превратиться в ядро аргона. Позитрон быстро найдет в веществе электрон и превратится во вспышку энергии. Но бояться радиоактивности бананов не стоит: распад калия происходит очень редко. Среднее время жизни его ядра — миллиард лет. Банан быстрее сгниет или будет съеден. К тому же, при столкновении единичного позитрона и электрона энергии выделится немного: тепла не хватит, даже чтобы подогреть каплю воды.

На античастицы можно наткнуться в кабинете врача: их применяют в медицине, в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) — методе исследования процессов внутри организма человека. Источник позитронов находится в таблетке, которую принимает пациент. В результате бета-распада в ней образуется позитрон, который аннигилирует с ближайшим найденным в теле человека электроном. Образующиеся фотоны вылетают наружу и регистрируются с помощью чувствительных детекторов, позволяющих с большой точностью узнать, где в организме произошла аннигиляция. Наибольшее применение этот метод нашел в клинической онкологии: с его помощью определяют положение опухоли, исследуют ее границы и контролируют процесс лечения.

Евгений Куликов

доцент департамента молекулярной и биологической физики МФТИ

Раковые клетки более прожорливые и активнее здоровых «поедают» глюкозу. Поэтому с ней смешивают радиоактивный фтор, который испускает античастицу позитрон после того, как опухолевые клетки «проглотят» сладкую наживку.

Антиматерия и энергетика

В ходе аннигиляции выделяется гораздо больше энергии, чем при термоядерной реакции. Один грамм антивещества, встретившись с граммом вещества, может высвободить 180 тысяч миллиардов джоулей энергии. Этого хватило бы, чтобы питать электричеством Москву в течение четырех с половиной часов.

Выделяемую при аннигиляции энергию теоретически можно использовать и в двигателях, например создав параболоид, в фокусе которого взаимодействуют материя и антиматерия. Образовывающаяся энергия будет отражаться от стенок параболоида и излучаться наружу, создавая тягу как в реактивном двигателе.

Свойства параболоида
Свойство параболоида: если в его фокусе материя будет взаимодействовать с антиматерией, фотоны станут вылетать параллельно оси и давать тягу

Однако ученым и инженерам предстоит придумать, из чего сделать реактор электростанции и параболоид, чтобы они не испарились в процессе эксплуатации: энергия внутри будет колоссальная. Можно подавать в реактор или фокус параболоида вещество и антивещество дозированно, чтобы происходили отдельные акты аннигиляции, и продумать, как контролировать частоту этих актов для регулировки мощности двигателя.

«При правильно подобранных энергиях частиц можно добиться чистой реакции аннигиляции, — когда все топливо превращается в энергию. Такой двигатель будет обладать 100% КПД и станет явным фаворитом по сравнению с любыми другими, — говорит Эмиль Ахмедов. — Но надо придумать, как получить и хранить антиматерию в большом количестве, достаточном, чтобы реакция продолжалась долго. К тому же антивещество стоит дорого: на его создание можно потратить больше энергии, чем получить в ходе аннигиляции, что нерентабельно».

Антивещество: источники и ловушки

В природе античастицы образуются в космических лучах, на Земле антивещество производят в ускорителях частиц. Если сталкивать ядра тяжелых атомов с мишенью, получится много античастиц: тысячи из каждого столкновения. В одном пучке ускорителя циркулирует миллион миллионов частиц.

Арсений Шабанов

Арсений Шабанов

младший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН

Получить античастицы не сложно, сложно отделить их от обычных частиц и поймать.

Заряженные античастицы, например позитроны или антипротоны, можно удерживать в ловушках Пенинга. Внутри них в условиях сверхвысокого вакуума магнитные поля заставляют заряженные античастицы вращаться по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, а электрические поля удерживают их вдоль магнитной оси.

Электрически нейтральные объекты из антивещества, например антиводород, можно удерживать с помощью ловушки Йоффе. В ней создается специальное распределение магнитного поля: в центре ловушки поле минимально, и оно увеличивается во всех направлениях от центральной точки. Если атомы попытаются покинуть центральную область, они будут терять кинетическую энергию, отражаться от более высоких магнитных полей и попадать в ловушку — возвращаться в центр, как шарик в воронке под воздействием гравитации скатывается по стенкам вниз.

Большой адронный коллайдер
В природе античастицы образуются в космических лучах, на Земле антивещество получают на ускорителях вроде Большого адронного коллайдера

Антиматерия стала одним из самых удивительных открытий прошлого века и породила множество вопросов. Например, сможет ли она покрыть значимую часть растущих энергетических потребностей? Сегодня существуют технологии для безопасного удержания антивещества, но получить его в достаточных для нужд энергетики количествах пока, увы, никто не смог.

2
Haha
Haha
0
0
Love
Love
0
1
0