Кіріспе

Қарапайым материяның сәйкес бөлшектерінің антибөлшектерінен құралған материал. Қазіргі физикада антиматерия "қарапайым" материядағы сәйкес бөлшектердің антибөлшектерінен (немесе "серіктестерінен") құралған зат ретінде анықталады және оны кері заряд, паритет және уақыт сипаттарымен сипатталатын зат ретінде қарастыруға болады, бұл CPT кері айналуы деп аталады. Антиматерия ғарыштық сәулелердің соқтығысуы және кейбір радиоактивті ыдырау түрлері сияқты табиғи процестерде кездеседі, бірақ олардың тек өте шағын бөлігі ғана тәжірибелерде антиатомдарды құру үшін сәтті біріктірілген. Антибөлшектердің өте аз мөлшері бөлшектерді жеделдетуіштерде жасалуы мүмкін, алайда жасанды өндірістің жалпы көлемі бірнеше нанограммды құрайды. Антиматерияның макроскопиялық мөлшерін өндіру мен қолданудың жоғары құны мен қиындығына байланысты ешқашан жинамаған. Дегенмен, антиматерия бета-ыдыраумен байланысты кең таралған қолданыстардың маңызды құрауышы болып табылады, мысалы, позитрон-эмиссиялық томография, сәулелік терапия және өнеркәсіптік бейнелеу. Теория бойынша, бөлшек және оның антибөлшегі (мысалы, протон және антипротон) бірдей массаға ие, бірақ қарама-қарсы электр зарядымен және кванттық сандардың басқа да айырмашылықтарымен ерекшеленеді. Кез келген бөлшек пен оның антибөлшегінің арасындағы соқтығысу өзара жойылғанға алып келеді, нәтижесінде әртүрлі пропорциядағы қарқынды фотондар (гамма сәулелері), нейтринолар және кейде одан аз салмақты бөлшек-антибөлшек жұптары пайда болады. Жоюдың жалпы энергиясының көп бөлігі иондаушы сәулелену түрінде бөлінеді. Егер айналада материя болса, бұл сәулеленудің энергиясы сіңіріліп, жылу немесе жарық сияқты энергияның басқа түрлеріне айналады. Бөлінген энергия мөлшері әдетте соқтығысқан материя мен антиматерияның жалпы массасына пропорционал болады, бұл масса-энергия эквиваленттігінің белгілі теңдеуіне сәйкес келеді. Антибөлшектер бір-бірімен байланысып антиматерияны құрайды, әдеттегі бөлшектер әдеттегі материяны құрайды. Мысалы, позитрон (электронның антибөлшегі) және антипротон (протонның антибөлшегі) антисутек атомын құрауы мүмкін. Антигелий ядролары жасалған, бірақ қиындықтармен, және осы уақытқа дейін байқалған ең күрделі антиядролар болып табылады. Физикалық принциптер күрделі антиматериялық атом ядроларының, сондай-ақ белгілі химиялық элементтерге сәйкес келетін антиатомдардың болуы мүмкін екенін көрсетеді. Байқалатын ғаламның материя мен антиматерияның тең қоспасынан гөрі, негізінен қарапайым материядан тұратынына күшті дәлелдер бар. Материя мен антиматерияның осы асимметриясы көрінетін ғаламдағы физикадағы шешілмеген маңызды мәселелердің бірі болып табылады. Материя мен антиматерия бөлшектері арасындағы теңсіздіктің қалай пайда болғаны бариогенез деп аталады.

Анықтамалар

Антиматерия бөлшектері материя бөлшектерімен бірдей зарядты, бірақ қарама-қарсы таңбаға ие. Яғни, антипротон теріс зарядталған, ал антиэлектрон (позитрон) оң зарядталған. Нейтрондарда жалпы заряд жоқ, бірақ оларды құрайтын кварктар зарядталған. Протон мен нейтронның бариондық саны +1, ал антипротон мен антинейтронның бариондық саны –1. Сол сияқты, электрондардың лептон саны +1, ал позитрондардың лептон саны –1. Бөлшек және оған сәйкес келетін антибөлшек соқтығысқанда, екеуі де энергияға айналады. Француз тіліндегі contraterrene термині "C. T." аббревиатурасына және Seetee Ship сияқты романдарда қолданылған ғылыми-фантастикалық терминнің пайда болуына әкелді.

Тұжырымдамалық тарихы

Теріс материя идеясы бұрынғы, қазір қолданыстан шығарылған материя теорияларында кездеседі. Бір кезде кең таралған айналмалы гравитация теориясын пайдаланып, 1880 жылдары Уильям Хикс теріс гравитациялық күші бар материяның мүмкіндігін талқылады. 1880 мен 1890 жылдары аралығында Карл Пирсон эфир ағынының "қуыстары" мен "шөгінділері" бар екенін ұсынды. Куыстар – қалыпты материяны, ал шөгінділер – теріс материяны бейнелейді. Пирсонның теориясы эфирдің ағып-төгілуі үшін төртінші өлшемді талап етті. Артур Шустер 1898 жылы «Nature» журналына жазған екі ойшар хатында алғаш рет «антиматерия» терминін қолданды. Ол антиатомдарды, тіпті толық антиматериялық күн жүйелерін болжады және материя мен антиматерияның бір-бірін жою мүмкіндігін талқылады. Шустердің идеялары күрделі теориялық ұсыныс емес, тек болжамдар болды және бұрынғы идеялар сияқты, қазіргі антиматерия тұжырымдамасынан теріс гравитациямен ерекшеленді. Антиматерияның қазіргі заманғы теориясы 1928 жылы Пол Дирактың жариялаған мақаласымен басталды. Дирак электрондар үшін Шредингер толқын теңдеуінің релятивистік түрі антиэлектрондардың болу мүмкіндігін болжағанын түсінді. Дирак осы «антиэлектрондардың» бар болуына негіз салғанмен, бастапқыда өзінің теңдеуінде жатқан мағынаны ұқпады. Ол бұл түсінік үшін J. Robert Oppenheimer-ге алғыс айтты, оның «Электрондар мен протондардың теориясы туралы» (1930 жылғы 14 ақпан) мақаласы Дирактың теңдеуіне сүйене отырып, электрон сияқты массасы бар оң зарядталған электронның (позитронның) бар екенін дәлелдеді. Бұл Дирактың болжамы бойынша, ол протон бола алмайды дегенді білдірді. Дирак 1931 жылы жариялаған мақаласында позитронды «антиэлектрон» деп атап, антиматерияның бар екенін алға тартты. Оларды Карл Д. Андерсон 1932 жылы ашты және «оң электроннан» позитрон деп атады. Дирак өзі «антиматерия» терминін қолданбағанмен, оның қолданылуы антиэлектрондардан, антипротоннан және т.б. табиғи түрде туындайды. Чарльз Джанет 1929 жылы антиматерияның толық периодтық кестесін қарастырды. Фейнман-Стюкельберг интерпретациясы антиматерия мен антибөлшектердің қалыпты бөлшектер сияқты бірдей әрекет ететінін, бірақ уақыт бойынша кері бағытта қозғалатынын көрсетеді. Бұл тұжырым қазіргі бөлшектер физикасында, Фейнман диаграммаларында қолданылады.

Нөмірлік

Антибөлшекті белгілеудің бір жолы – бөлшектің символының үстіне сызық қою. Мысалы, протон және антипротон сәйкесінше және деп белгіленеді. Егер бөлшекті құрамдас бөліктері арқылы атасақ, дәл сол ереже қолданылады. Протон үш кварктан тұрады, сондықтан антипротон үш антикварктан құрылуы керек. Тағы бір әдет – бөлшектерді оң және теріс электр заряды бойынша ажырату. Осылайша, электрон мен позитрон сәйкесінше және деп белгіленеді. Дегенмен, екі тәсілді араластыруға болмайды.

Қасиеттері

Материя мен антиматерияның гравитациялық мінез-құлқында ешқандай айырмашылық жоқ. Басқаша айтқанда, антиматерия төменге түседі, жоғарыға емес. Бұл суперөткізгіш электромагниттік орамдармен қоршалған тік шахтада ұсталған мыңдаған антигидроген атомдарының жұқа, өте суық газымен зерттелген кезде расталды. Бұл орамдар антиматерияның материямен жанасуына және жойылуына жол бермейтін магниттік "бөтелке" құруға мүмкіндік береді. Зерттеушілер магниттік өрістерді бірте-бірте әлсіретіп, антиатомдарды екі сенсор арқылы қадағалады, олар босатылып жойылғанда. Антиатомдардың көпшілігі төменгі тесіктен шықты, ал тек төрттен бірі жоғарыдан шықты. Антибөлшектердің барлық зарядтарында (электрлік және бариондық зарядтар сияқты) кері таңбалары бар екендігінен басқа, материя мен антиматерияның бірдей қасиеттері бар деп санауға негіз болатын теориялық себептер жеткілікті. Бұл бөлшек пен оның антибөлшегінің массасы мен ыдырау уақыты (тұрақсыз болса) бірдей болуы керек дегенді білдіреді. Сондай-ақ, мысалы, антиматериядан құралған жұлдыз ("антижұлдыз") қалыпты жұлдыз сияқты жарқырайды. Бұл идея 2016 жылы ALPHA экспериментімен тәжірибелік түрде тексерілді, ол антигидрогеннің ең төменгі екі энергиялық күйі арасындағы өтуді өлшеді. Нәтижелер, сутегінің нәтижелерімен сәйкес келеді, антиматерияға қатысты квант механикасының дұрыстығын растады.

Шығуы және асимметриясы

Жерден байқалатын материяның көп бөлігі антиматерия емес, материядан тұрған сияқты. Егер ғарышта антиматерия басым аймақтар болғанда, материя мен антиматерия аймақтарының шекарасында анигиляция реакцияларынан туындаған гамма-сәулелерін анықтауға болар еді. Антибөлшектер жоғары энергиялы бөлшектердің соқтығысуы кезінде ғаламның барлық жерінде пайда болады. Жер атмосферасына (немесе Күн жүйесіндегі кез келген басқа материяға) түсетін жоғары энергиялы ғарыш сәулелері, соқтығысқанда антибөлшектердің аз мөлшерін тудырады, олар жақын маңдағы материямен жанасқанда бірден жойылады. Олар сондай-ақ, Құс жолы мен басқа галактикалардың орталықтарында, аса энергетикалық аспан құбылыстары болатын жерлерде (көбінесе жұлдызаралық ортамен өзара әрекеттесетін релятивистік ағындар) де пайда болуы мүмкін. Антиматерияның пайда болуын, әрбір позитрон жақын маңдағы материямен анигиляцияланғанда пайда болатын екі гамма-сәулесі арқылы анықтауға болады. Гамма-сәулелерінің жиілігі мен толқын ұзындығы, олардың әрқайсысы 511 кэВ энергияны (яғни электронның тыныш массасын c² еселенген) алып жүретінін көрсетеді. Еуропалық ғарыш агенттігінің INTEGRAL спутнигінің бақылаулары Галактика ортасын қоршап тұрған антиматериялық бұлттың шығуын түсіндіруге көмектеседі. Бақылаулар бұлттың асимметриялық екенін және Галактика орталығының бір жағында орналасқан рентгендік екі жұлдыздардың (қара тесіктер немесе нейтрондық жұлдыздар бар екі жұлдыздар жүйесі) үлгісімен сәйкес келетінін көрсетеді. Механизм толыққанды түсінілмеген, бірақ ол электрон-позитрон жұптарының пайда болуымен байланысты болуы мүмкін, себебі обычай материя жұлдыз қалдықтарына құлай келе кинетикалық энергия алады. Антиматерия ғаламның ерте кезеңіндегі космостық инфляция нәтижесінде алыс галактикаларда салыстырмалы түрде көп мөлшерде болуы мүмкін. Егер антиматериялық галактикалар бар болса, олардың химиясы, сіңіру және эмиссия спектрлері обычай материялық галактикаларға ұқсас болады деп күтіледі, ал олардың астрономиялық объектілері бақылау бойынша бірдей болады, оларды ажырату қиынға соғады. НАСА мұндай галактикалардың бар-жоғын анықтау үшін соқтығысқан суперкластерлердегі анигиляция оқиғаларының рентгендік және гамма-сәулелік белгілерін іздеуде. 2017 жылдың қазан айында ЦЕРН-дегі BASE экспериментінде жұмыс істейтін ғалымдар антипротонның магниттік моментін 1,5 миллиард бөліктің дәлдігімен өлшегенін хабарлады. Бұл протонның магниттік моментін өлшеумен сәйкес келеді (сонымен қатар 2014 жылы BASE жүргізді), бұл CPT симметриясы гипотезасын қолдайды. Бұл өлшеу антиматерияның қасиеті материяның эквивалентті қасиетінен дәлірек белгілі болған алғашқы жағдайды білдіреді. Антиматерия кванттық интерферометриясы алғаш рет 2018 жылы Комодағы (Италия) Рафаэль Феррагуттың позитрондық зертханасында (L NESS) Марко Джаммарки басқаруымен жүзеге асырылды.

Табиғи өндіріс

Позитрондар табиғи түрде радиоактивті изотоптардың β+ ыдырауында (мысалы, калий-40) және гамма кванттарының (радиоактивті ядролар шығаратын) материямен өзара әрекеттесуінде пайда болады. Антинейтринолар – табиғи радиоактивтілік (β− ыдырау) нәтижесінде туындайтын антибөлшектердің тағы бір түрі. Антибөлшектердің көптеген түрлері ғарыш сәулелері арқылы да өндіріледі және олардың құрамында болады. 2011 жылдың қаңтар айында Америка астрономиялық қоғамының зерттеулері ағынды бұлттардың үстінен пайда болатын антиматерияны (позитрондарды) анықтады; позитрондар бұлттардағы күшті электр өрістерінің әсерінен үдеген электрондардың нәтижесінде пайда болатын ғаламдық гамма сәулелері шығарылымдарында пайда болады. Антипротонның Жерді айналатын Ван Аллен белдеулерінде PAMELA модулі арқылы табылып, олардың бар екені дәлелденді. Антибөлшектер жеткілікті жоғары температурасы бар кез келген ортада да пайда болады (жұптар тудыру шегінен асып түсетін орташа бөлшек энергиясы). Бариогенез кезеңінде, ғалам өте ыстық және тығыз болған кезде, материя мен антиматерия үздіксіз өндіріліп, жойылған деп болжанады. Қалған материяның болуы және анықталатын антиматерияның жоқтығы – бариондық асимметрия деп аталады. Бариогенез кезінде осы асимметрияны тудырған нақты механизм әлі де шешілмеген мәселе болып қана тұр. Осы асимметрияның қажетті шартының бірі – CP симметриясының бұзылуы, ол әлсіз өзара әрекеттесуде тәжірибелік түрде байқалды. Жақындағы байқаулар қара тесіктер мен нейтронды жұлдыздардың ұшқыштары арқылы үлкен мөлшерде позитрон-электрон плазмасын өндіретінін көрсетіп тұр.

Космикалық сәулелерді бақылау

Спутниктердегі тәжірибелер негізгі ғарыш сәулелерінде позитрондар мен бірнеше антипротонның бар екенін көрсетті, олардың үлесі негізгі ғарыш сәулелеріндегі бөлшектердің 1% азырақ. Бұл антиматерияның бәрі Ұлы жарылыста пайда болмаған, ал жоғары энергиядағы циклдық процестерде туындаған деп саналады. Мысалы, электрон-позитрон жұптары пульсарларда қалыптасуы мүмкін, себебі магниттелген нейтрон жұлдызының айналу циклі жұлдыздың бетінен электрон-позитрон жұптарын бөліп алады. Содан кейін антиматерия жұлдыздың бетінен шығарылған заттарға соқтығысатын жел құрайды. Бұл процесте "жұлдыздан ұшырылған суық, магниттелген релятивистік жел релятивистік емес кеңейістегі заттарға соқтығысқанда, соққы толқынының жүйесі пайда болады: сыртқы толқын заттарда таралады, ал кері соққы жұлдызға қарай қозғалады". Сыртқы соққы толқынындағы материяның шығарылуы және кері соққы толқынындағы антиматерияның өндірілуі ғарыш ауа райы циклінің қадамдары болып табылады. Халықаралық ғарыш станциясында орналасқан, қазіргі уақытта жұмыс істеп тұрған Альфа магниттік спектрометрінің (AMS 02) алдын ала нәтижелері ғарыш сәулелеріндегі позитрондардың бағытталмағандығын және олардың энергиясы 10 ГэВ-тан 250 ГэВ-қа дейін болатындығын көрсетті. 2014 жылдың қыркүйегінде CERN-де баяндама жасалып, Physical Review Letters журналында жарияланған жаңа нәтижелерде деректер көлемі шамамен екі есеге артты. 500 ГэВ-қа дейінгі позитронның үлесін жаңа өлшеу көрсетті, онда позитронның үлесі жалпы электрон+позитрон оқиғаларының шамамен 16% деңгейінде, 275 ± 32 ГэВ энергиясында ең жоғары шамаға жетеді. 500 ГэВ-тан жоғары энергияда позитрондар мен электрондардың арақатынасы қайтадан төмендеуге бастайды. Позитрондардың абсолюттік ағыны 500 ГэВ-тан бұрын төмендей бастайды, бірақ энергиясы 10 ГэВ шамасындағы электрон энергиясынан әлдеқайда жоғарылайды. Бұл нәтижелердің интерпретациясы массивті қараңғы материя бөлшектерінің жойылған кездегі позитрон өндірісіне байланысты болуы мүмкін. Ғарыш сәулелеріндегі антипротонның энергиясы олардың әдеттегі материялық әріптестерінен (протон) әлдеқайда жоғары. Олар Жерге 2 ГэВ энергияның максималды деңгейімен жетеді, бұл олардың пайда болу процесінің ғарыш сәулелеріндегі протоннан түбегейлі ерекшеленетінін көрсетеді, себебі олардың энергиясы орташа есеппен алғанда одан алты есе аз. Ғарыш сәулелерінде антигелий ядролары (яғни, анти-альфа бөлшектері) сияқты ірі антиматериялық ядроларды іздеу жұмысы жалғасуда. Табиғи антигелийдің табылуы антижұлдыз сияқты ірі антиматериялық құрылымдардың бар екендігін көрсете алады. AMS 02 прототипі, AMS 01, 1998 жылдың маусым айында STS 91 миссиясымен ғарышқа ұшты. Антигелийді анықтамағандықтан, AMS 01 антигелий мен гелий ағысының қатынасы үшін 1.1×10−6 жоғарғы шегін белгіледі. AMS 02 2016 жылдың желтоқсан айында миллиардтаған гелий ядроларының арасында антигелий ядроларына сәйкес келетін бірнеше сигналдарды тапқанын хабарлады. Нәтиже әлі расталмады және команда бұл нәтиженің дұрыс емеуіне себеп болатын факторларды жоққа шығаруға тырысуда.

Позитрондар

2008 жылдың қарашасында Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасы позитрондарды көп мөлшерде жасағанын хабарлады. Лазер сәулесі электрондарды алтын нысананың ядролары арқылы өткізіп, нәтижесінде электронды энергия кванттарын шығарды, олар материя мен антиматерияға ыдырайды. Позитрондар зертханада бұрынғыдан да жоғары жылдамдықпен және тығыздықпен анықталды. Алдыңғы тәжірибелер лазерлер мен қағаз сияқты жұқа нысаналарды қолданып, позитрондардың шағын мөлшерін жасады; жаңа есептеулер көрсеткендей, ультра жоғары интенсивті лазерлердің қысқа импульстары мен миллиметрлік қалыңдықтағы алтын әлдеқайда тиімді көз болып табылады. 2023 жылы Оксфорд университетінің ғалымдары жетекшілік еткен халықаралық топ CERN-дегі Материалдарға жоғары сәулелену (HRMT) құрылымында жұмыс істеп, алғашқы электрон-позитрон сәулелік плазмасын жасады. Бұл сәуле зертхана жағдайында қол жеткізілген ең жоғары позитрон шығымын көрсетті. Экспериментте 440 ГэВ протондық сәулесімен Суперпротондық синхротронынан алынған протондарды қолданып, көміртек және танталдан жасалған бөлшектерді сәулелендірді. Бұл бөлшектердің шашырауы арқылы электрон-позитрон жұптарының жалпы саны алынды. Шығарылған жұп сәулелерінің көлемі бірнеше Дебье сферасын толтырады, сондықтан олар плазманың ұжымдық тербелістерін сақтауға қабілетті. Антипротон екі жоғары антикварктан және бір төмен антикварктан тұрады. Антипротонның өлшенген қасиеттерінің барлығы протонның сәйкес қасиеттерімен сәйкес келеді, тек антипротонның протоннан кері электр заряды мен магниттік моменті өзгеше. Содан кейін, 1956 жылы Брюс Корк және оның әріптестері Беватронда (Лоуренс Беркли ұлттық зертханасы) протон-протон соқтығысуында антинейтронды ашты. Антибариондардан басқа, бірнеше байланысқан антипротон мен антинейтрондардан тұратын антиядролар да жасалды. Олар әдетте антиматерия атомдарын (электронның орнына байланысқан позитрондармен) құру үшін тым жоғары энергияда жасалады. 1965 жылы Антонино Зичичи басқаратын зерттеушілер тобы ЦЕРН-дегі Протондық синхротронда антидеутерий ядросын жасағанын хабарлады. Шамамен сол уақытта америкалық физиктер тобы Брукхейвен ұлттық зертханасындағы ауыспалы градиенттік синхротронында антидеутерий ядроларын байқағанын хабарлады.

Антигидроген атомдары

1995 жылы ЦЕРН PS210 эксперименті барысында SLAC/Fermilab тұжырымдамасын іске асыру арқылы тоғыз ыстық антигидроген атомын жасауға сәтті қол жеткізгенін хабарлады. Эксперимент төмен энергиялы антипротон сақинасында (LEAR) жүргізілді және оған Уолтер Оэльерт пен Марио Макри жетекшілік етті. Фермилаб ЦЕРН-нің нәтижелерін жақын арада растады, өз қондырғыларында шамамен 100 антигидроген атомын өндірді. PS210 және одан кейінгі эксперименттерде (ЦЕРН және Фермилабта) жасалған антигидроген атомдарының энергиясы өте жоғары болды және зерттеулер үшін жарамсыз болды. Бұл қиындықтарды шешу және антигидрогенді жақсырақ түсіну үшін 1990 жылдардың соңында ATHENA және ATRAP атты екі ынтымақтастық құрылды. 1999 жылы ЦЕРН антипротонды баяулатқышты іске қосты, ол антипротонды 3,5-тен 5,3-ке дейін баяулата алатын құрылғы, бірақ зерттеуге тиімді антигидрогенді өндіру үшін әлі де "қызып" тұрды, бірақ бұл үлкен қадам болды. 2002 жылдың соңында ATHENA жобасы әлемдегі алғашқы "салқын" антигидрогенді жасағанын хабарлады. ATRAP жобасы да ұқсас нәтижелерге қол жеткізді. Бұл эксперименттерде қолданылатын антипротондар антипротон баяулатқышымен баяулату арқылы, жұқа фольгадан өткізу арқылы және содан кейін Пеннинг-Мальмберг тұзағына түсіру арқылы салқындатылды. Жалпы салқындату процесі жұмыс істейді, бірақ өте тиімсіз: шамамен 25 миллион антипротон Антипротон баяулатқышынан шығады, ал шамамен 25 000-ы Пэннинг-Мальмберг тұзағына жетеді, бұл бастапқы мөлшердің шамамен 0,1%-ы. Антипротондар тұтқындалған кезде әлі де ыстық болады. Оларды одан әрі салқындату үшін оларды электрондық плазмамен араластырады. Бұл плазмадағы электрондар циклотрон сәулеленуі арқылы салқындатылады, содан кейін Кулондық соқтығысу арқылы антипротондарды симпатиялық түрде салқындатады. Соңында, электрондардың қысқа мерзімді электр өрістерін қолдану арқылы алынып тасталады, нәтижесінде антипротондар 100-ден аз энергиямен қалады. Антипротондар бірінші тұзақта салқындатылған кезде, позитрондардың шағын бұлты радиоактивті натрийден Сурко стиліндегі позитрон аккумуляторында ұсталады. Бұл бұлт антипротонға жақын екінші тұзаққа түседі. Тұзақ электродтарының манипуляциясы антипротондарды позитрон плазмасына бағыттайды, онда олардың кейбіреуі антигидрогенді құру үшін антипротонмен бірігеді. Бұл бейтарап антигидроген зарядталған позитрондар мен антипротондарды тұтқындауға арналған электр және магнит өрістеріне сезімтал емес, ал бірнеше микросекунд ішінде антигидроген тұзақтың қабырғасына соқтығысады, онда ол жойлады. Осы әдіспен жүздеген миллион антигидроген атомы жасалды. 2005 жылы ATHENA таратылды және бұрынғы мүшелерінің кейбіреуі (басқалармен бірге) ЦЕРН-де орналасқан ALPHA ынтымақтастығын құрды. Бұл жұмыстың басты мақсаты – сутегі мен антисутегінің атомдық спектрлерін салыстыру арқылы CPT симметриясын тексеру (сутегінің спектрлік қатарларын қараңыз). Антигидрогеннің қасиеттерін жоғары дәлдікпен тексерудің көп бөлігі антигидроген тұтқындалған жағдайда ғана жүзеге асырылуы мүмкін, яғни салыстырмалы түрде ұзақ уақыт бойы сақталады. Антигидроген атомдары электрлік нейтрал болғанымен, олардың құрамындағы бөлшектердің спиндері магниттік моментті тудырады. Бұл магниттік моменттер біртекті емес магнит өрісімен өзара әрекеттесе алады; антигидроген атомдарының кейбіреуі магниттік минимумға тартылуы мүмкін. Мұндай минимумды айналы және көп полюсті өрістердің комбинациясы арқылы жасауға болады. Антигидроген осындай магниттік минимум (минимал B) тұзағына түсіп қалуы мүмкін; 2010 жылдың қарашасында ALPHA ынтымақтастығы 38 антигидроген атомын шамамен секундының алтыдан бір бөлігіне тұтқындап алғанын хабарлады. Бұл бейтарап антиматерияның тұтқындалған алғашқы реті болды. 2011 жылдың 26 сәуірінде ALPHA 309 антигидроген атомын тұтқындағанын хабарлады, олардың кейбіреуі 1000 секундқа (шамамен 17 минут) дейін сақталды. Бұл бұрын-соңды тұтқындалған бейтарап антиматерияның ең ұзақ уақыты болды. ALPHA осы тұтқындалған атомдарды антигидрогеннің спектрлік қасиеттерін зерттеу үшін пайдаланды. 2016 жылы ELENA (Extra Low ENergy Antiproton decelerator) деп аталатын жаңа антипротон баяулатқышы мен салқындатқышы құрылды. Ол антипротонды баяулатқыштан алып, оларды 90 кэВ-қа дейін салқындатады, бұл зерттеу үшін жеткілікті "салқын". Бұл машина жоғары энергияны пайдаланып, камерадағы бөлшектерді үдету арқылы жұмыс істейді. Секундына жүзден астам антипротонды ұстауға болады, бұл үлкен жетістік, бірақ антиматерияның нанограммасын жасау үшін әлі де бірнеше мың жыл қажет. Антиматерияның іріктеліп өндірілімінің ең басты шектеуі – антипротонның қолжетімділігі. ЦЕРН жақында жариялаған деректерге сәйкес, толыққанды жұмыс істеген кезде олардың қондырғылары минутына он миллион антипротон өндіруге қабілетті. Антипротонды антигидрогенге 100% айналдыруды болжасақ, 1 грамм немесе 1 моль антигидрогенді (шамамен 6,02 антигидроген атомы) өндіруге 100 миллиард жыл қажет болады. Алайда, ЦЕРН Фермилабтың өндіретін антиматерияның 1%-ын ғана өндіреді, және екеуі де антиматерия өндіруге арналмаған. Джеральд Джексонның сөзіне сәйкес, қазіргі қолданыстағы технологияны пайдаланып, біз жылына 20 грамм антиматерия бөлшектерін өндіріп, ұстауға қабілеттіміз, әрбір қондырғы үшін жылына 670 миллион доллар жұмсау керек.

Антигелий

Антигелий-3 ядролары (Анти=иә, гелий) алғаш рет 1970 жылдары Ю. Прокошкин тобының Жоғары Энергиялық Физика институтында (Мәскеу маңындағы Протвино, КСРО) протон-ядро соқтығысу эксперименттерінде байқалды, ал кейін ядро-ядро соқтығысу эксперименттерінде жасалды. Ядро-ядро соқтығысулары антипротон мен антинейтронның осы реакцияларда пайда болуы арқылы антиядроларды жасайды. 2011 жылы STAR детекторы мұндай соқтығысулардан жасалған антигелий-4 ядроларын (анти-альфа бөлшектері) (Анти=иә, гелий) байқағанын хабарлады. Халықаралық ғарыш станциясындағы Альфа магниттік спектрометрі 2021 жылға дейін антигелий-3 анықталған сияқты сегіз дерек тіркеді.

Сақтау

Антиматерияны қалыпты материядан жасалған ыдысқа сақтау мүмкін емес, себебі антиматерия тиген кез келген материямен әрекеттесіп, өзін және ыдыстың тең мөлшерін жояды. Электр және магнит өрістерінің комбинациясы арқылы, Пенинг тұзағы деп аталатын құрылғыда зарядталған бөлшектер түріндегі антиматерияны ұстауға болады. Дегенмен, бұл құрылғы зарядталмаған бөлшектерден тұратын антиматерияны ұстай алмайды, олар үшін атомдық тұзақтар қолданылады. Атап айтқанда, мұндай тұзақ тұтқынға алынған бөлшектердің дипольдық моментін (электрлік немесе магниттік) пайдалануы мүмкін. Жоғары вакуумда материя немесе антиматерия бөлшектерін сәл резонациядан тыс лазерлік сәулелендіру арқылы магниттік-оптикалық тұзақ немесе магниттік тұзақ көмегімен тұтқындап, салқындатуға болады. Кішкентай бөлшектерді жоғары шоғырланған лазер сәулесімен оптикалық пинцет арқылы да тоқтатуға болады. 2011 жылы CERN ғалымдары антигидрогенді шамамен 17 минут бойы сақтап тұрды. Антибөлшектерді сақтау бойынша рекорд қазіргі уақытта CERN-дегі TRAP экспериментіне тиесілі: антипротондар Пеннинг тұзағында 405 күн сақталды. 2018 жылы портативті құрылғыда миллиард антипротонды ұстауға жеткілікті технологияны әзірлеу туралы ұсыныс жасалды, оны одан әрі зерттеулер үшін басқа зертханаға жеткізуге болады.

Құны

Ғалымдар антиматерияны жасау ең қымбат материал екенін мәлімдейді (бір граммына шамамен 25 миллиард доллардай тұрады); 1999 жылы НАСА антигидрогеннің граммына 62,5 триллион доллар тұратынын көрсеткен. Бұл өндірістің қиындығына байланысты (бөлшектерді жеделдеткіштегі реакцияларда өте аз мөлшерде антипротон пайда болады) және бөлшектерді жеделдеткіштердің басқа да қолданылуына сұраныс жоғары болғандықтан. CERN мәліметінше, грамның миллиардтан бір бөлігін (қазіге дейін бөлшектер мен антибөлшектердің соқтығысуына қолданылған мөлшер) өндіруге бірнеше жүз миллион швейцариялық франк жұмсалды. Салыстыратын болсақ, алғашқы атом қаруын жасауға кеткен Манхэттен жобасының құны 2007 жылғы инфляция бойынша 23 миллиард долларға бағаланған. NASA Advanced Concepts институты қаржылаған бірнеше зерттеу Жердің Ван Аллен белдеуінде және содан кейін Юпитер сияқты газ гиганттарының белдеулерінде табиғи түрде кездесетін антиматерияны магниттік жинағыштар арқылы жинау мүмкіндігін, нәтижесінде граммына төмен қымбатқа қол жеткізуді зерттеп жатыр.

Медициналық

Материя-антиматерия реакциялары медициналық бейнелеуде, мысалы позитрондық эмиссиялық томографияда (ПЭТ) практикалық қолданысқа ие. Оң бета-ыдырауда нуклид артық оң зарядты жоғалтады, позитрон шығарады (осы кезде протон нейтронға айналады, және нейтрино да шығарылады). Артық оң зарядты нуклидтер циклотронда оңай жасалады және медициналық қолдану үшін кеңінен өндіріледі. Зертханалық тәжірибелерде антипротонның белгілі бір қатерлі ісіктерді емдеуге әлеуеті бар екені көрсетілді, бұл қазіргі иондық (протондық) терапияда қолданылатын әдіске ұқсас.

Отын

Оқшауланған және сақталған антиматерия антиматерия катализделген ядролық импульстік қозғалтқыштың немесе басқа антиматериялық ракетаның бөлігі ретінде планетааралық немесе жұлдызаралық саяхаттар үшін отын ретінде қолданылуы мүмкін. Антиматерияның энергия тығыздығы дәстүрлі отыннан жоғары болғандықтан, антиматериямен жабдықталған ғарыш кемесінің массаға шаққандағы итермелі күші дәстүрлі ғарыш кемесіне қарағанда артық болады. Егер материя-антиматерия соқтығысулары тек фотондардың шығарылуына әкелсе, бөлшектердің барлық тыныштық массасы кинетикалық энергияға айналады. Масса бірлігіне шаққандағы энергия (9) химиялық энергиядан шамамен 10 рет артық, ал бүгінгі күні ядролық бөліну арқылы алынатын ядролық потенциалдық энергиядан шамамен 3 рет артық (бір бөліну реакциясы үшін шамамен 200 немесе 8), сондай-ақ синтезден күтілетін ең жақсы нәтижелерден шамамен 2 рет артық (протон-протон тізбегі үшін шамамен 6,3). 1 антиматерияның 1 материямен реакциясы 1,8 (180 петаджоуль) энергияны (масса-энергия эквиваленттігі формуласы бойынша, E=mc2) немесе шамамен 43 мегатонна тротилге тең энергияны (27 000 кг салмақтағы "Царь бомбасының" қуатынан сәл кем, ол жасалған ең ірі термоядролық қару) шығарады. Анигиляция өнімдерінің сипатына байланысты, нақты қозғалтқыш технологиясы осы энергияның барлығын пайдалана алмайды. Электрон-позитрон реакциялары гамма-сәулелі фотондарды тудырады, бірақ оларды бағыттап, итермелеу үшін қолдану қиын. Протон мен антипротон арасындағы реакцияларда олардың энергиясы көбінесе релятивистік бейтарап және зарядталған пиондарға айналады. Бейтарап пиондар өте жылдам ыдырайды (85 аттосекунд өмір сүреді) және жоғары энергиялы фотондарға айналады, ал зарядталған пиондар баяу ыдырайды (26 наносекунд өмір сүреді) және итермелеу үшін магниттік өріспен бұрылуы мүмкін. Зарядталған пиондар ақырында нейтринолардың (зарядталған пион энергиясының шамамен 22% -ын алып жүреді) және тұрақсыз зарядталған мюондардың (зарядталған пион энергиясының шамамен 78% -ын алып жүреді) қосындысына ыдырайды, ал мюондар электрон, позитрон және нейтринолардың қосындысына ыдырайды (мюонның ыдырауына қараңыз; бұл ыдыраудан шыққан нейтринолар мюон энергиясының шамамен 2/3 бөлігін алып жүреді, яғни бастапқы зарядталған пиондардан олардың энергиясының жалпы үлесі нейтриноларға түрлі жолдармен айналғанда шамамен 0,22 + (2/3)⋅0,78 = 0,74 құрайды).

Қарулар

Антиматерия ядролық қаруды іске қосу механизмі ретінде қарастырылған. Антиматерияны жеткілікті көлемде өндірудің қиындығы – басты кедергі, және оның болашақта мүмкін болатынына ешқандай дәлел жоқ. Дегенмен, АҚШ Әуе күштері Суық соғыс кезеңінде антиматерия физикасы зерттеулерін қаржыландырып, оны қару ретінде қолдану мүмкіндігін қарастыра бастады, ғана емес іске қосу механизмі ретінде, сонымен қатар жарылғыш зат ретінде де.