Антиматерия: состав, свойства и загадки Вселенной.

Введение

Материал, состоящий из античастиц, соответствующих частицам обычной материи.

Material composed of antiparticles of the corresponding particles of ordinary matter

In modern physics, antimatter is defined as matter composed of the antiparticles (or "partners") of the corresponding particles in "ordinary" matter, and can be thought of as matter with reversed charge, parity, and time, known as CPT reversal. Antimatter occurs in natural processes like cosmic ray collisions and some types of radioactive decay, but only a tiny fraction of these have successfully been bound together in experiments to form antiatoms. Minuscule numbers of antiparticles can be generated at particle accelerators; however, total artificial production has been only a few nanograms. No macroscopic amount of antimatter has ever been assembled due to the extreme cost and difficulty of production and handling. Nonetheless, antimatter is an essential component of widely available applications related to beta decay, such as positron emission tomography, radiation therapy, and industrial imaging. In theory, a particle and its antiparticle (for example, a proton and an antiproton) have the same mass, but opposite electric charge, and other differences in quantum numbers. A collision between any particle and its anti particle partner leads to their mutual annihilation, giving rise to various proportions of intense photons (gamma rays), neutrinos, and sometimes less massive particleantiparticle pairs. The majority of the total energy of annihilation emerges in the form of ionizing radiation. If surrounding matter is present, the energy content of this radiation will be absorbed and converted into other forms of energy, such as heat or light. The amount of energy released is usually proportional to the total mass of the collided matter and antimatter, in accordance with the notable mass–energy equivalence equation,
Antiparticles bind with each other to form antimatter, just as ordinary particles bind to form normal matter. For example, a positron (the antiparticle of the electron) and an antiproton (the antiparticle of the proton) can form an antihydrogen atom. The nuclei of antihelium have been artificially produced, albeit with difficulty, and are the most complex anti nuclei so far observed. Physical principles indicate that complex antimatter atomic nuclei are possible, as well as anti atoms corresponding to the known chemical elements. There is strong evidence that the observable universe is composed almost entirely of ordinary matter, as opposed to an equal mixture of matter and antimatter. This asymmetry of matter and antimatter in the visible universe is one of the great unsolved problems in physics. The process by which this inequality between matter and antimatter particles developed is called baryogenesis.

В современной физике антиматерия определяется как материя, состоящая из античастиц (или "партнеров") соответствующих частиц в "обычной" материи и может рассматриваться как материя с обратным зарядом, паритетом и временем, известная как CPT-инверсия. Антиматерия возникает в естественных процессах, таких как столкновения космических лучей и некоторые типы радиоактивного распада, но лишь крошечная доля этих частиц была успешно объединена в экспериментах для образования антиатомов. Незначительное количество античастиц можно генерировать в ускорителях частиц, однако общее искусственное производство составляет всего несколько нанограммов. Создание макроскопического количества антиматерии никогда не осуществлялось из-за чрезвычайно высокой стоимости и сложности производства и обращения с ней. Тем не менее, антиматерия является важным компонентом широко распространенных применений, связанных с бета-распадом, таких как позитронно-эмиссионная томография, лучевая терапия и промышленная визуализация. В теории частица и ее античастица (например, протон и антипротон) имеют одинаковую массу, но противоположный электрический заряд и другие различия в квантовых числах. Столкновение любой частицы с ее античастицей приводит к их взаимной аннигиляции, в результате чего образуются различные пропорции интенсивных фотонов (гамма-лучей), нейтрино и, иногда, менее массивных пар частица-античастица. Большая часть общей энергии аннигиляции выделяется в виде ионизирующего излучения. Если вблизи присутствует материя, энергия этого излучения поглощается и преобразуется в другие формы энергии, такие как тепло или свет. Количество выделяемой энергии обычно пропорционально общей массе столкнувшейся материи и антиматерии, в соответствии с известным уравнением эквивалентности массы и энергии.

Античастицы связываются друг с другом, образуя антиматерию, подобно тому, как обычные частицы связываются, образуя нормальную материю. Например, позитрон (античастица электрона) и антипротон (античастица протона) могут образовать атом антиводорода. Ядра антигелия были искусственно созданы, хотя и с большим трудом, и являются наиболее сложными антиядрами, которые наблюдались на сегодняшний день. Физические принципы указывают на возможность существования сложных атомных ядер антиматерии, а также антиатомов, соответствующих известным химическим элементам. Существуют веские доказательства того, что наблюдаемая Вселенная состоит почти исключительно из обычной материи, а не из равной смеси материи и антиматерии. Эта асимметрия материи и антиматерии в видимой Вселенной является одной из величайших нерешенных проблем в физике. Процесс, посредством которого возникло это неравенство между частицами материи и антиматерии, называется бариогенезом.

Определения

Частицы антиматерии несут тот же заряд, что и частицы материи, но с противоположным знаком. То есть, антипротон имеет отрицательный заряд, а антиэлектрон (позитрон) – положительный. Нейтроны не несут чистого заряда, но их составляющие кварки – да. Протоны и нейтроны имеют барионное число +1, а антипротоны и антинейтроны – барионное число –1. Аналогичным образом, у электронов лептоновое число +1, а у позитронов – –1. Когда частица и ее соответствующая античастица сталкиваются, они оба преобразуются в энергию. Французский термин contraterrene привел к инициализму "C. T." и научно-фантастическому термину seetee, используемому в таких романах, как Seetee Ship.

История концепции

Идея отрицательной материи встречается в более ранних теориях материи, которые в настоящее время отвергнуты. Используя некогда популярную вихревую теорию гравитации, возможность существования материи с отрицательной гравитацией была обсуждена Уильямом Хиксом в 1880-х годах. В период с 1880-х по 1890-е годы Карл Пирсон предложил существование "истоков" и "стоков" потока эфира. Истоки представляли собой обычную материю, а стоки – отрицательную. Теория Пирсона требовала четвертого измерения для потока эфира. Термин "антиматерия" впервые был использован Артуром Шустером в двух весьма причудливых письмах в журнал Nature в 1898 году, где он и ввел этот термин. Он выдвинул гипотезу об антиатомах и даже целых антиматерийных солнечных системах, а также обсудил возможность аннигиляции материи и антиматерии. Идеи Шустера не были серьезным теоретическим предложением, а скорее спекуляцией, и, как и предыдущие теории, отличались от современного представления об антиматерии тем, что она обладала отрицательной гравитацией. Современная теория антиматерии берет начало в 1928 году с работы Пола Дирака. Дирак понял, что его релятивистская версия волнового уравнения Шредингера для электронов предсказывает возможность существования антиэлектронов. Хотя Дирак заложил основу для существования этих "антиэлектронов", он поначалу не осознал всех последствий, содержащихся в его собственном уравнении. Он охотно отдал признание за это понимание Дж. Роберту Оппенгеймеру, чья основополагающая работа "О теории электронов и протонов" (14 февраля 1930 года) опиралась на уравнение Дирака и утверждала о существовании положительно заряженного электрона (позитрона), который, как аналог электрона, должен иметь такую же массу, как и сам электрон. Это означало, что он не мог быть, как изначально предполагал Дирак, протоном. Дирак далее постулировал существование антиматерии в статье 1931 года, в которой позитрон упоминался как "антиэлектрон". Они были обнаружены Карлом Д. Андерсоном в 1932 году и названы позитронами, от "положительного электрона". Хотя сам Дирак не использовал термин "антиматерия", его применение естественно вытекает из существования антиэлектронов, антипротонов и т.д. Полная периодическая таблица антиматерии была предложена Чарльзом Джанетом в 1929 году. Интерпретация Фейнмана — Стьюкельберга утверждает, что антиматерия и античастицы ведут себя точно так же, как обычные частицы, но движутся в обратном направлении во времени. Эта концепция в настоящее время используется в современной физике частиц, в диаграммах Фейнмана.

The idea of negative matter appears in past theories of matter that have now been abandoned. Using the once popular vortex theory of gravity, the possibility of matter with negative gravity was discussed by William Hicks in the 1880s. Between the 1880s and the 1890s, Karl Pearson proposed the existence of "squirts" and sinks of the flow of aether. The squirts represented normal matter and the sinks represented negative matter. Pearson's theory required a fourth dimension for the aether to flow from and into. The term antimatter was first used by Arthur Schuster in two rather whimsical letters to Nature in 1898, in which he coined the term. He hypothesized antiatoms, as well as whole antimatter solar systems, and discussed the possibility of matter and antimatter annihilating each other. Schuster's ideas were not a serious theoretical proposal, merely speculation, and like the previous ideas, differed from the modern concept of antimatter in that it possessed negative gravity. The modern theory of antimatter began in 1928, with a paper by Paul Dirac. Dirac realised that his relativistic version of the Schrödinger wave equation for electrons predicted the possibility of antielectrons. Although Dirac had laid the groundwork for the existence of these “antielectrons” he initially failed to pick up on the implications contained within his own equation. He freely gave the credit for that insight to J. Robert Oppenheimer, whose seminal paper “On the Theory of Electrons and Protons” (Feb 14th 1930) drew on Dirac's equation and argued for the existence of a positively charged electron (a positron), which as a counterpart to the electron should have the same mass as the electron itself. This meant that it could not be, as Dirac had in fact suggested, a proton. Dirac further postulated the existence of antimatter in a 1931 paper which referred to the positron as an "anti electron". These were discovered by Carl D. Anderson in 1932 and named positrons from "positive electron". Although Dirac did not himself use the term antimatter, its use follows on naturally enough from antielectrons, antiprotons, etc. A complete periodic table of antimatter was envisaged by Charles Janet in 1929. The Feynman–Stueckelberg interpretation states that antimatter and antiparticles behave exactly identical to regular particles, but traveling backward in time. This concept is nowadays used in modern particle physics, in Feynman diagrams.

Обозначение

Один из способов обозначения античастицы — добавление черты над символом частицы. Например, протон и антипротон обозначаются как и соответственно. То же правило применяется, если рассматривать частицу по её составным частям. Поскольку протон состоит из кварков, то антипротон должен состоять из антикварков. Другой способ различать частицы — по положительному и отрицательному электрическому заряду. Таким образом, электрон и позитрон обозначаются просто как и соответственно. Однако, чтобы не допустить путаницы, эти два способа обозначения никогда не комбинируются.

Свойства

Нет никакой разницы в гравитационном поведении материи и антиматерии. Иными словами, антиматерия падает вниз при падении, а не вверх. Это было подтверждено с помощью тонкого, очень холодного газа из тысяч атомов антиводорода, заключенных в вертикальном канале, окруженном сверхпроводящими электромагнитными катушками. Эти катушки создают магнитную ловушку, чтобы антиматерия не контактировала с материей и не аннигилировала. Затем исследователи постепенно ослабляли магнитные поля и обнаруживали антиатомы с помощью двух датчиков по мере их выхода и аннигиляции. Большинство антиатомов выходило через нижнее отверстие, и лишь четверть – через верхнее. Существуют веские теоретические основания полагать, что, за исключением того, что античастицы имеют противоположные знаки всех зарядов (таких как электрический и барионный), материя и антиматерия обладают абсолютно одинаковыми свойствами. Это означает, что частица и ее античастица должны иметь идентичные массы и времена жизни (если они нестабильны). Это также подразумевает, что, например, звезда, состоящая из антиматерии («антизвезда»), будет светить точно так же, как обычная звезда. Эта идея была экспериментально проверена в 2016 году экспериментом ALPHA, который измерил переход между двумя нижними энергетическими уровнями антиводорода. Результаты, идентичные результатам для водорода, подтвердили справедливость квантовой механики для антивещества.

Происхождение и асимметрия

Большая часть материи, наблюдаемой с Земли, состоит из материи, а не антиматерии. Если бы существовали области пространства, доминируемые антиматерией, гамма-лучи, возникающие в реакциях аннигиляции на границе между областями материи и антиматерии, были бы детектируемы. Античастицы создаются повсюду во Вселенной при столкновениях высокоэнергетических частиц. Высокоэнергетические космические лучи, сталкиваясь с атмосферой Земли (или любым другим веществом в Солнечной системе), производят ничтожные количества античастиц в образующихся струях частиц, которые немедленно аннигилируют при контакте с близлежащей материей. Аналогичным образом они могут образовываться в таких областях, как центр Млечного Пути и другие галактики, где происходят высокоэнергетические космические события (в основном взаимодействие релятивистских джетов с межзвездной средой). Наличие образовавшейся антиматерии обнаруживается по двум гамма-лучам, возникающим при каждом аннигилировании позитронов с близлежащей материей. Частота и длина волны гамма-лучей указывают на то, что каждый из них несет энергию в 511 кэВ (то есть массу электрона в состоянии покоя, умноженную на c²). Наблюдения, проведенные спутником INTEGRAL Европейского космического агентства, могут объяснить происхождение гигантского облака антиматерии, окружающего Галактический центр. Эти наблюдения показывают, что облако асимметрично и соответствует распределению рентгеновских двойных систем (двойных звездных систем, содержащих черные дыры или нейтронные звезды), преимущественно на одной стороне Галактического центра. Хотя механизм не полностью понятен, он, вероятно, связан с образованием электронно-позитронных пар, поскольку обычная материя приобретает кинетическую энергию при падении на звездный остаток. Антиматерия может существовать в относительно больших количествах в далеких галактиках из-за космической инфляции в раннюю эпоху Вселенной. Галактики антиматерии, если они существуют, предположительно имеют ту же химию и спектры поглощения и излучения, что и галактики обычной материи, а их астрономические объекты были бы наблюдательно идентичны, что затруднило бы их различение. NASA пытается установить, существуют ли такие галактики, путем поиска рентгеновских и гамма-лучевых сигнатур событий аннигиляции в сталкивающихся сверхскоплениях. В октябре 2017 года ученые, работавшие над экспериментом BASE в CERN, сообщили об измерении магнитного момента антипротона с точностью 1,5 части на миллиард. Это согласуется с наиболее точным измерением магнитного момента протона (также выполненным BASE в 2014 году), что подтверждает гипотезу о симметрии CPT. Это первое измерение, при котором свойство антиматерии известно точнее, чем соответствующее свойство материи. Квантовая интерферометрия антиматерии была впервые продемонстрирована в 2018 году в Позитронной лаборатории (L NESS) Рафаэля Феррагута в Комо (Италия) группой под руководством Марко Джаммарки.

Most matter observable from the Earth seems to be made of matter rather than antimatter. If antimatter dominated regions of space existed, the gamma rays produced in annihilation reactions along the boundary between matter and antimatter regions would be detectable. Antiparticles are created everywhere in the universe where high energy particle collisions take place. High energy cosmic rays striking Earth's atmosphere (or any other matter in the Solar System) produce minute quantities of antiparticles in the resulting particle jets, which are immediately annihilated by contact with nearby matter. They may similarly be produced in regions like the center of the Milky Way and other galaxies, where very energetic celestial events occur (principally the interaction of relativistic jets with the interstellar medium). The presence of the resulting antimatter is detectable by the two gamma rays produced every time positrons annihilate with nearby matter. The frequency and wavelength of the gamma rays indicate that each carries 511 keV of energy (that is, the rest mass of an electron multiplied by c2). Observations by the European Space Agency's INTEGRAL satellite may explain the origin of a giant antimatter cloud surrounding the Galactic Center. The observations show that the cloud is asymmetrical and matches the pattern of X ray binaries (binary star systems containing black holes or neutron stars), mostly on one side of the Galactic Center. While the mechanism is not fully understood, it is likely to involve the production of electron–positron pairs, as ordinary matter gains kinetic energy while falling into a stellar remnant. Antimatter may exist in relatively large amounts in far away galaxies due to cosmic inflation in the primordial time of the universe. Antimatter galaxies, if they exist, are expected to have the same chemistry and absorption and emission spectra as normal matter galaxies, and their astronomical objects would be observationally identical, making them difficult to distinguish. NASA is trying to determine if such galaxies exist by looking for X ray and gamma ray signatures of annihilation events in colliding superclusters. In October 2017, scientists working on the BASE experiment at CERN reported a measurement of the antiproton magnetic moment to a precision of 1.5 parts per billion. It is consistent with the most precise measurement of the proton magnetic moment (also made by BASE in 2014), which supports the hypothesis of CPT symmetry. This measurement represents the first time that a property of antimatter is known more precisely than the equivalent property in matter. Antimatter quantum interferometry has been first demonstrated in 2018 in the Positron Laboratory (L NESS) of Rafael Ferragut in Como (Italy), by a group led by Marco Giammarchi.

Естественное производство

Позитроны образуются естественным образом при β+ распаде природных радиоактивных изотопов (например, калия-40) и при взаимодействии гамма-квантов (излучаемых радиоактивными ядрами) с веществом. Антинейтрино – это другой вид античастиц, создаваемых естественной радиоактивностью (β− распадом). Многие различные виды античастиц также производятся (и содержатся) в космических лучах. В январе 2011 года исследования, проведенные Американским астрономическим обществом, обнаружили антиматерию (позитроны), возникающую над грозовыми облаками; позитроны образуются в земных гамма-вспышках, создаваемых электронами, ускоренными сильными электрическими полями в облаках. Антипротоны также были обнаружены в поясах Ван Аллена вокруг Земли модулем PAMELA. Античастицы также образуются в любой среде с достаточно высокой температурой (средняя энергия частиц превышает порог рождения пары). Предполагается, что в период бариогенеза, когда Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, материя и антиматерия непрерывно создавались и аннигилировали. Наличие остаточной материи и отсутствие обнаруживаемой остаточной антиматерии называется барионной асимметрией. Точный механизм, породивший эту асимметрию в период бариогенеза, остается нерешенной проблемой. Одним из необходимых условий для возникновения этой асимметрии является нарушение CP-симметрии, которое было экспериментально подтверждено в слабом взаимодействии. Недавние наблюдения указывают на то, что черные дыры и нейтронные звезды производят огромное количество позитронно-электронной плазмы посредством джетов.

Наблюдения в космических лучах

Спутниковые эксперименты обнаружили свидетельства наличия позитронов и нескольких антипротонов в первичных космических лучах, составляющих менее 1% от общего числа частиц в этих лучах. Вся эта антиматерия не могла образоваться в Большом взрыве, а, предположительно, возникает в результате циклических процессов при высоких энергиях. Например, электрон-позитронные пары могут формироваться в пульсарах, где цикл вращения магнитной нейтронной звезды отрывает эти пары от поверхности звезды. Образующаяся антиматерия формирует ветер, который сталкивается с веществом, выброшенным при взрыве сверхновой. Этот процесс происходит, когда "холодный, намагниченный релятивистский ветер, испускаемый звездой, наталкивается на нерелятивистски расширяющееся вещество взрыва, формируя систему ударных волн: внешняя волна распространяется в веществе выброса, а обратная – обратно к звезде". Выброс вещества во внешней ударной волне и образование антиматерии в обратной ударной волне – это этапы цикла космической погоды. Предварительные результаты, полученные с помощью действующего в настоящее время Альфа-магнитного спектрометра (AMS 02) на борту Международной космической станции, показывают, что позитроны в космических лучах приходят без какой-либо направленности и имеют энергии в диапазоне от 10 ГэВ до 250 ГэВ. В сентябре 2014 года новые результаты, основанные на почти удвоенном объеме данных, были представлены на конференции в ЦЕРНе и опубликованы в журнале Physical Review Letters. Было сообщено о новом измерении доли позитронов вплоть до 500 ГэВ, которое показало, что доля позитронов достигает максимума примерно в 16% от общего числа электрон-позитронных событий при энергии 275 ± 32 ГэВ. При более высоких энергиях, до 500 ГэВ, отношение позитронов к электронам начинает снова уменьшаться. Абсолютный поток позитронов также начинает снижаться до 500 ГэВ, но достигает пика при энергиях, значительно превышающих энергии электронов, которые достигают пика около 10 ГэВ. Предполагается, что эти результаты могут быть связаны с образованием позитронов в событиях аннигиляции массивных частиц темной материи. Антипротоны космических лучей также имеют значительно более высокую энергию, чем их обычные аналоги – протоны. Они достигают Земли с характерным максимумом энергии 2 ГэВ, что указывает на их образование в процессе, принципиально отличающемся от образования протонов космических лучей, которые в среднем имеют лишь одну шестую этой энергии. В настоящее время продолжается поиск более крупных ядер антиматерии, таких как ядра антигелия (то есть анти-альфа-частицы), в космических лучах. Обнаружение естественного антигелия может свидетельствовать о существовании крупных антиматериальных структур, таких как антизвезда. Прототип AMS 02, обозначенный как AMS 01, был выведен в космос на борту шаттла STS 91 в июне 1998 года. Не обнаружив антигелия, AMS 01 установил верхний предел для отношения потоков антигелия к гелию, равный 1,1 × 10−6. В декабре 2016 года AMS 02 обнаружил несколько сигналов, согласующихся с ядрами антигелия, среди миллиардов ядер гелия. Этот результат требует подтверждения, и команда в настоящее время пытается исключить возможность загрязнения.

Satellite experiments have found evidence of positrons and a few antiprotons in primary cosmic rays, amounting to less than 1% of the particles in primary cosmic rays. This antimatter cannot all have been created in the Big Bang, but is instead attributed to have been produced by cyclic processes at high energies. For instance, electron positron pairs may be formed in pulsars, as a magnetized neutron star rotation cycle shears electron positron pairs from the star surface. Therein the antimatter forms a wind that crashes upon the ejecta of the progenitor supernovae. This weathering takes place as "the cold, magnetized relativistic wind launched by the star hits the non relativistically expanding ejecta, a shock wave system forms in the impact: the outer one propagates in the ejecta, while a reverse shock propagates back towards the star." The former ejection of matter in the outer shock wave and the latter production of antimatter in the reverse shock wave are steps in a space weather cycle. Preliminary results from the presently operating Alpha Magnetic Spectrometer (AMS 02) on board the International Space Station show that positrons in the cosmic rays arrive with no directionality, and with energies that range from 10 GeV to 250 GeV. In September, 2014, new results with almost twice as much data were presented in a talk at CERN and published in Physical Review Letters. A new measurement of positron fraction up to 500 GeV was reported, showing that positron fraction peaks at a maximum of about 16% of total electron+positron events, around an energy of 275 ± 32 GeV. At higher energies, up to 500 GeV, the ratio of positrons to electrons begins to fall again. The absolute flux of positrons also begins to fall before 500 GeV, but peaks at energies far higher than electron energies, which peak about 10 GeV. These results on interpretation have been suggested to be due to positron production in annihilation events of massive dark matter particles. Cosmic ray antiprotons also have a much higher energy than their normal matter counterparts (protons). They arrive at Earth with a characteristic energy maximum of 2 GeV, indicating their production in a fundamentally different process from cosmic ray protons, which on average have only one sixth of the energy. There is an ongoing search for larger antimatter nuclei, such as antihelium nuclei (that is, anti alpha particles), in cosmic rays. The detection of natural antihelium could imply the existence of large antimatter structures such as an antistar. A prototype of the AMS 02 designated AMS 01, was flown into space aboard the on STS 91 in June 1998. By not detecting any antihelium at all, the AMS 01 established an upper limit of 1.1×10−6 for the antihelium to helium flux ratio. AMS 02 revealed in December 2016 that it had discovered a few signals consistent with antihelium nuclei amidst several billion helium nuclei. The result remains to be verified, and the team is currently trying to rule out contamination.

Позитроны

В ноябре 2008 года было сообщено, что позитроны были сгенерированы Национальной лабораторией Лоуренса Ливермора в большом количестве. Лазер разгонял электроны через ядра золотой мишени, что приводило к испусканию входящими электронами энергетических квантов, распадающихся на материю и антиматерию. Позитроны были обнаружены с более высокой скоростью и в большей плотности, чем когда-либо ранее регистрировалось в лабораторных условиях. Предыдущие эксперименты производили меньшее количество позитронов с использованием лазеров и тонких бумажных мишеней; новые моделирования показали, что короткие импульсы ультраинтенсивных лазеров и золото толщиной в миллиметр являются гораздо более эффективным источником. В 2023 году коллаборация под руководством исследователей из Оксфордского университета, работающих с центром High Radiation to Materials (HRMT) в ЦЕРН, сообщила о создании первой плазмы электрон-позитронного пучка. Пучок продемонстрировал наивысший выход позитронов, достигнутый на сегодняшний день в лабораторных условиях. В эксперименте использовался протонный луч 440 ГэВ, полученный из Суперпротонного синхротрона, который облучал конвертер частиц, состоящий из углерода и тантала. Это привело к образованию электрон-позитронных пар посредством каскадного процесса. Полученные пучки пар имеют объем, заполняющий несколько сфер Дебая, и способны поддерживать коллективные плазменные колебания. Антипротон состоит из двух анти-u-кварков и одного анти-d-кварка. Измеренные свойства антипротона соответствуют свойствам протона, за исключением противоположного электрического заряда и магнитного момента. Вскоре после этого, в 1956 году, Брюс Корк и его коллеги обнаружили антинейтрон в столкновениях протонов на Беватроне (Национальная лаборатория Лоуренса Беркли). Помимо антибарионов, были созданы антиядра, состоящие из множества связанных антипротонов и антинейтронов. Обычно они производятся при энергиях, слишком высоких для формирования атомов антивещества (с связанными позитронами вместо электронов). В 1965 году группа исследователей под руководством Антонино Зичичи сообщила о создании ядер антидейтерия в Протонном синхротроне в ЦЕРН. Примерно в то же время группа американских физиков сообщила о наблюдениях ядер антидейтерия в Альтернативном градиентном синхротроне в Национальной лаборатории Брукхейвена.

Positrons were reported in November 2008 to have been generated by Lawrence Livermore National Laboratory in large numbers. A laser drove electrons through a gold target's nuclei, which caused the incoming electrons to emit energy quanta that decayed into both matter and antimatter. Positrons were detected at a higher rate and in greater density than ever previously detected in a laboratory. Previous experiments made smaller quantities of positrons using lasers and paper thin targets; newer simulations showed that short bursts of ultra intense lasers and millimeter thick gold are a far more effective source. In 2023, the production of the first electron positron beam plasma was reported by a collaboration led by researchers at University of Oxford working with the High Radiation to Materials (HRMT) facility at CERN. The beam demonstrated the highest positron yield achieved so far in a laboratory setting. The experiment employed the 440 GeV proton beam, with protons, from the Super Proton Synchrotron, and irradiated a particle converter composed of Carbon and Tantalum. This yielded a total electron positron pairs via a particle shower process. The produced pair beams have a volume that fills multiple Debye spheres and are thus able to sustain collective plasma oscillations. An antiproton consists of two up antiquarks and one down antiquark The properties of the antiproton that have been measured all match the corresponding properties of the proton, with the exception of the antiproton having opposite electric charge and magnetic moment from the proton. Shortly afterwards, in 1956, the antineutron was discovered in proton–proton collisions at the Bevatron (Lawrence Berkeley National Laboratory) by Bruce Cork and colleagues. In addition to antibaryons, anti nuclei consisting of multiple bound antiprotons and antineutrons have been created. These are typically produced at energies far too high to form antimatter atoms (with bound positrons in place of electrons). In 1965, a group of researchers led by Antonino Zichichi reported production of nuclei of antideuterium at the Proton Synchrotron at CERN. At roughly the same time, observations of antideuterium nuclei were reported by a group of American physicists at the Alternating Gradient Synchrotron at Brookhaven National Laboratory.

Атомы антиводорода

В 1995 году CERN объявил об успешном создании девяти горячих атомов антиводорода, реализовав концепцию SLAC/Fermilab в ходе эксперимента PS210. Эксперимент был выполнен с использованием кольца замедления антипротонов низкой энергии (LEAR) и проводился под руководством Вальтера Оэлерта и Марио Макри. Вскоре после этого Fermilab подтвердил результаты CERN, получив приблизительно 100 атомов антиводорода на своих установках. Атомы антиводорода, созданные в ходе PS210 и последующих экспериментов (как в CERN, так и в Fermilab), были чрезвычайно энергичными и не подходили для изучения. Для преодоления этого препятствия и лучшего понимания антиводорода в конце 1990-х годов были сформированы два коллаборатива: ATHENA и ATRAP. В 1999 году в CERN был введен в эксплуатацию антипротонный замедлитель – устройство, способное замедлять антипротоны с 3,5 до 5,3 ГэВ, что все еще было слишком "горячо" для производства антиводорода, пригодного для исследований, но стало огромным шагом вперед. В конце 2002 года коллаборатив ATHENA объявил о создании первого в мире "холодного" антиводорода. Вскоре после этого коллаборатив ATRAP опубликовал аналогичные результаты. Антипротоны, используемые в этих экспериментах, охлаждались путем замедления в антипротонном замедлителе, прохождения через тонкий лист фольги и последующего захвата в ловушку Пеннинга-Мальмберга. Процесс охлаждения в целом работоспособен, но крайне неэффективен: приблизительно 25 миллионов антипротонов покидают антипротонный замедлитель, и лишь около 25 000 достигают ловушки Пеннинга-Мальмберга, что составляет примерно 0,1% от первоначального количества. Антипротоны все еще горячи при первоначальном захвате. Для дальнейшего охлаждения их смешивают с электронной плазмой. Электроны в этой плазме охлаждаются посредством циклотронного излучения, а затем передают холод антипротонам посредством кулоновского взаимодействия. В конечном итоге электроны удаляются с помощью кратковременных электрических полей, оставляя антипротоны с энергией менее 100 эВ. В то время как антипротоны охлаждаются в первой ловушке, небольшое облако позитронов захватывается из радиоактивного натрия в позитронном аккумуляторе типа Сурко. Затем это облако повторно захватывается во второй ловушке рядом с антипротонами. Манипуляции электродами ловушки направляют антипротоны в позитронную плазму, где некоторые из них объединяются с позитронами, образуя антиводород. Нейтральный антиводород не подвержен воздействию электрических и магнитных полей, используемых для удержания заряженных позитронов и антипротонов, и в течение нескольких микросекунд сталкивается со стенками ловушки, где аннигилирует. Таким образом было получено около сотен миллионов атомов антиводорода. В 2005 году ATHENA прекратил свою деятельность, и некоторые из бывших членов (вместе с другими) сформировали коллаборатив ALPHA, также базирующийся в CERN. Конечная цель этой работы – проверка симметрии CPT путем сравнения атомных спектров водорода и антиводорода (см. спектральные ряды водорода). Большинство требуемых высокоточных тестов свойств антиводорода можно было бы провести только в случае захвата антиводорода, то есть удержания его на месте в течение относительно длительного времени. Поскольку атомы антиводорода электрически нейтральны, спины их составных частиц создают магнитный момент. Эти магнитные моменты могут взаимодействовать с неоднородным магнитным полем; некоторые атомы антиводорода могут притягиваться к магнитному минимуму. Такой минимум можно создать комбинацией зеркальных и многополюсных полей. Антиводород может быть захвачен в такой магнитный минимум (B-минимум); в ноябре 2010 года коллаборатив ALPHA объявил об успешном захвате 38 атомов антиводорода на примерно шестую долю секунды. Это был первый случай захвата нейтральной антиматерии. 26 апреля 2011 года ALPHA объявил о захвате 309 атомов антиводорода, некоторые из которых удерживались до 1000 секунд (около 17 минут). Это было самое длительное время удержания нейтральной антиматерии, когда-либо достигнутое. ALPHA использовал эти захваченные атомы для начала исследований спектральных свойств антиводорода. В 2016 году был построен новый антипротонный замедлитель и охладитель под названием ELENA (Extra Low ENergy Antiproton decelerator). Он принимает антипротоны из антипротонного замедлителя и охлаждает их до 90 кэВ, что достаточно "холодно" для проведения исследований. Эта установка работает, используя высокую энергию и ускоряя частицы внутри камеры. Более ста антипротонов могут быть захвачены в секунду, что является огромным улучшением, но для получения нанограмма антиматерии все равно потребуется несколько тысяч лет. Основным ограничивающим фактором в крупномасштабном производстве антиматерии является доступность антипротонов. Недавние данные, опубликованные CERN, указывают на то, что при полной работоспособности их установки способны производить десять миллионов антипротонов в минуту. Предполагая 100%-ный коэффициент преобразования антипротонов в антиводород, для производства 1 грамма или 1 моля антиводорода (приблизительно 6,02 x 10^23 атомов антиводорода) потребуется 100 миллиардов лет. Однако CERN производит лишь 1% антиматерии по сравнению с Fermilab, и ни одна из этих установок не предназначена для производства антиматерии. По словам Джеральда Джексона, используя уже существующие сегодня технологии, мы способны производить и захватывать 20 граммов антиматерии в год при годовых затратах в 670 миллионов долларов на каждую установку.

In 1995, CERN announced that it had successfully brought into existence nine hot antihydrogen atoms by implementing the SLAC/Fermilab concept during the PS210 experiment. The experiment was performed using the Low Energy Antiproton Ring (LEAR), and was led by Walter Oelert and Mario Macri. Fermilab soon confirmed the CERN findings by producing approximately 100 antihydrogen atoms at their facilities. The antihydrogen atoms created during PS210 and subsequent experiments (at both CERN and Fermilab) were extremely energetic and were not well suited to study. To resolve this hurdle, and to gain a better understanding of antihydrogen, two collaborations were formed in the late 1990s, namely, ATHENA and ATRAP. In 1999, CERN activated the Antiproton Decelerator, a device capable of decelerating antiprotons from 3.5 to 5.3 – still too "hot" to produce study effective antihydrogen, but a huge leap forward. In late 2002 the ATHENA project announced that they had created the world's first "cold" antihydrogen. The ATRAP project released similar results very shortly thereafter. The antiprotons used in these experiments were cooled by decelerating them with the Antiproton Decelerator, passing them through a thin sheet of foil, and finally capturing them in a Penning–Malmberg trap. The overall cooling process is workable, but highly inefficient; approximately 25 million antiprotons leave the Antiproton Decelerator and roughly 25,000 make it to the Penning–Malmberg trap, which is about or 0.1% of the original amount. The antiprotons are still hot when initially trapped. To cool them further, they are mixed into an electron plasma. The electrons in this plasma cool via cyclotron radiation, and then sympathetically cool the antiprotons via Coulomb collisions. Eventually, the electrons are removed by the application of short duration electric fields, leaving the antiprotons with energies less than 100. While the antiprotons are being cooled in the first trap, a small cloud of positrons is captured from radioactive sodium in a Surko style positron accumulator. This cloud is then recaptured in a second trap near the antiprotons. Manipulations of the trap electrodes then tip the antiprotons into the positron plasma, where some combine with antiprotons to form antihydrogen. This neutral antihydrogen is unaffected by the electric and magnetic fields used to trap the charged positrons and antiprotons, and within a few microseconds the antihydrogen hits the trap walls, where it annihilates. Some hundreds of millions of antihydrogen atoms have been made in this fashion. In 2005, ATHENA disbanded and some of the former members (along with others) formed the ALPHA Collaboration, which is also based at CERN. The ultimate goal of this endeavour is to test CPT symmetry through comparison of the atomic spectra of hydrogen and antihydrogen (see hydrogen spectral series). Most of the sought after high precision tests of the properties of antihydrogen could only be performed if the antihydrogen were trapped, that is, held in place for a relatively long time. While antihydrogen atoms are electrically neutral, the spins of their component particles produce a magnetic moment. These magnetic moments can interact with an inhomogeneous magnetic field; some of the antihydrogen atoms can be attracted to a magnetic minimum. Such a minimum can be created by a combination of mirror and multipole fields. Antihydrogen can be trapped in such a magnetic minimum (minimum B) trap; in November 2010, the ALPHA collaboration announced that they had so trapped 38 antihydrogen atoms for about a sixth of a second. This was the first time that neutral antimatter had been trapped. On 26 April 2011, ALPHA announced that they had trapped 309 antihydrogen atoms, some for as long as 1,000 seconds (about 17 minutes). This was longer than neutral antimatter had ever been trapped before. ALPHA has used these trapped atoms to initiate research into the spectral properties of the antihydrogen. In 2016, a new antiproton decelerator and cooler called ELENA (Extra Low ENergy Antiproton decelerator) was built. It takes the antiprotons from the antiproton decelerator and cools them to 90 keV, which is "cold" enough to study. This machine works by using high energy and accelerating the particles within the chamber. More than one hundred antiprotons can be captured per second, a huge improvement, but it would still take several thousand years to make a nanogram of antimatter. The biggest limiting factor in the large scale production of antimatter is the availability of antiprotons. Recent data released by CERN states that, when fully operational, their facilities are capable of producing ten million antiprotons per minute. Assuming a 100% conversion of antiprotons to antihydrogen, it would take 100 billion years to produce 1 gram or 1 mole of antihydrogen (approximately 6.02 atoms of anti hydrogen). However, CERN only produces 1% of the anti matter Fermilab does, and neither are designed to produce anti matter. According to Gerald Jackson, using technology already in use today we are capable of producing and capturing 20 grams of anti matter particles per year at a yearly cost of 670 million dollars per facility.

Антигелий

Ядра антигелия-3 (анти- да, гелий) впервые были обнаружены в 1970-х годах в экспериментах по столкновению протонов с ядрами в Институте физики высоких энергий группой Я. Прокошкина (Протвино под Москвой, СССР), а затем созданы в экспериментах по столкновению ядер. Столкновения ядер производят антиядра посредством объединения антипротонов и антинейтронов, образующихся в этих реакциях. В 2011 году детектор STAR сообщил о наблюдении искусственно созданных ядер антигелия-4 (анти-альфа-частиц) (анти- да, гелий) в результате таких столкновений. Альфа-магнитный спектрометр на Международной космической станции, по состоянию на 2021 год, зарегистрировал восемь событий, которые, по-видимому, свидетельствуют об обнаружении антигелия-3.

Сохранение

Антивещество нельзя хранить в контейнере из обычной материи, поскольку антивещество реагирует с любым веществом, с которым оно соприкасается, вызывая аннигиляцию как антивещества, так и равного количества вещества контейнера. Антивещество в форме заряженных частиц можно удерживать с помощью комбинации электрических и магнитных полей в устройстве, называемом ловушкой Пеннинга. Однако это устройство не может удерживать антивещество, состоящее из незаряженных частиц, для чего используются атомные ловушки. В частности, такая ловушка может использовать дипольный момент (электрический или магнитный) удерживаемых частиц. При высоком вакууме частицы материи или антиматерии можно захватывать и охлаждать слегка расстроенным лазерным излучением с помощью магнитооптической ловушки или магнитной ловушки. Малые частицы также можно удерживать оптическим пинцетом, используя сильно сфокусированный лазерный луч. В 2011 году ученым ЦЕРН удалось сохранить антиводород в течение приблизительно 17 минут. Текущий рекорд по хранению античастиц принадлежит эксперименту TRAP в ЦЕРНе: антипротоны удерживались в ловушке Пеннинга на протяжении 405 дней. В 2018 году было предложено разработать технологию удержания, достаточно продвинутую для содержания миллиарда антипротонов в портативном устройстве, которое можно было бы перевезти в другую лабораторию для дальнейших экспериментов.

Стоимость

Ученые утверждают, что антиматерия – самый дорогой материал для производства (эквивалентно 25 миллиардам долларов за грамм); в 1999 году NASA назвала цифру в 62,5 триллиона долларов за грамм антиводорода. Это обусловлено сложностью производства (в реакциях в ускорителях частиц производится очень небольшое количество антипротонов) и более высоким спросом на другие применения ускорителей частиц. По данным ЦЕРН, для производства примерно одной миллиардной доли грамма (количество, использованное на данный момент для столкновений частиц и античастиц) потребовалось несколько сотен миллионов швейцарских франков. Для сравнения, стоимость Манхэттенского проекта по созданию первого атомного оружия в 2007 году, с учетом инфляции, оценивалась в 23 миллиарда долларов. Несколько исследований, финансируемых Институтом перспективных концепций NASA, изучают возможность использования магнитных ловушек для сбора антиматерии, которая естественным образом встречается в радиационных поясах Ван Аллена Земли, а в перспективе – в поясах газовых гигантов, таких как Юпитер, с целью снижения стоимости производства за грамм.

Медицинская

Реакции материи и антиматерии находят практическое применение в медицинской визуализации, например, в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). При положительном бета-распаде нуклид избавляется от избыточного положительного заряда, испуская позитрон (при этом протон превращается в нейтрон, и также испускается нейтрино). Нуклиды с избыточным положительным зарядом легко производятся в циклотроне и широко используются в медицинских целях. В лабораторных экспериментах также продемонстрировано, что антипротоны обладают потенциалом для лечения определенных видов рака, используя метод, аналогичный современному ионному (протонному) лечению.

Топливо

Изолированная и сохраненная антиматерия может быть использована в качестве топлива для межпланетных или межзвездных путешествий в рамках ядерного импульсного двигателя с антиматерией в качестве катализатора или другой ракеты на антиматерии. Поскольку энергетическая плотность антиматерии выше, чем у обычного топлива, космический аппарат, работающий на антиматерии, будет иметь более высокое отношение тяги к весу, чем обычный космический аппарат. Если столкновения материи и антиматерии приводили бы только к испусканию фотонов, вся масса покоя частиц преобразовывалась бы в кинетическую энергию. Энергия на единицу массы (9) примерно на 10 порядков превышает химическую энергию и примерно на 3 порядка превышает ядерную потенциальную энергию, которую можно высвободить сегодня с помощью ядерного деления (около 200 на реакцию деления или 8), и примерно на 2 порядка превышает наилучшие ожидаемые результаты от термоядерного синтеза (около 6,3 для протон-протонного цикла). Реакция 1 единицы антиматерии с 1 единицей материи произведет 1,8 (180 петаджоулей) энергии (согласно формуле эквивалентности массы и энергии, E=mc2), или приблизительно эквивалент 43 мегатонн в тротиловом эквиваленте – немного меньше, чем мощность 27 000 кг «Царь-бомбы», самого мощного термоядерного оружия, когда-либо испытанного. Не вся эта энергия может быть использована какой-либо реалистичной технологией двигательных установок из-за природы продуктов аннигиляции. В то время как реакции электрон-позитрон приводят к образованию гамма-квантов, их трудно направить и использовать для создания тяги. В реакциях между протонами и антипротонами их энергия преобразуется в основном в релятивистские нейтральные и заряженные пионы. Нейтральные пионы распадаются почти мгновенно (с временем жизни 85 аттосекунд) на высокоэнергетические фотоны, но заряженные пионы распадаются медленнее (с временем жизни 26 наносекунд) и могут отклоняться магнитным полем для создания тяги. Заряженные пионы в конечном итоге распадаются на комбинацию нейтрино (переносящих около 22% энергии заряженных пионов) и нестабильных заряженных мюонов (переносящих около 78% энергии заряженного пиона), при этом мюоны затем распадаются на комбинацию электронов, позитронов и нейтрино (см. распад мюона; нейтрино от этого распада переносят около 2/3 энергии мюонов, что означает, что от первоначальных заряженных пионов общая доля их энергии, преобразованной в нейтрино тем или иным путем, составит примерно 0,22 + (2/3)⋅0,78 = 0,74).

Isolated and stored antimatter could be used as a fuel for interplanetary or interstellar travel as part of an antimatter catalyzed nuclear pulse propulsion or another antimatter rocket. Since the energy density of antimatter is higher than that of conventional fuels, an antimatter fueled spacecraft would have a higher thrust to weight ratio than a conventional spacecraft. If matter–antimatter collisions resulted only in photon emission, the entire rest mass of the particles would be converted to kinetic energy. The energy per unit mass (9) is about 10 orders of magnitude greater than chemical energies, and about 3 orders of magnitude greater than the nuclear potential energy that can be liberated, today, using nuclear fission (about 200 per fission reaction or 8), and about 2 orders of magnitude greater than the best possible results expected from fusion (about 6.3 for the proton–proton chain). The reaction of 1 of antimatter with 1 of matter would produce 1.8 (180 petajoules) of energy (by the mass–energy equivalence formula, 1=E=mc2), or the rough equivalent of 43 megatons of TNT – slightly less than the yield of the 27,000 kg Tsar Bomba, the largest thermonuclear weapon ever detonated. Not all of that energy can be utilized by any realistic propulsion technology because of the nature of the annihilation products. While electron–positron reactions result in gamma ray photons, these are difficult to direct and use for thrust. In reactions between protons and antiprotons, their energy is converted largely into relativistic neutral and charged pions. The neutral pions decay almost immediately (with a lifetime of 85 attoseconds) into high energy photons, but the charged pions decay more slowly (with a lifetime of 26 nanoseconds) and can be deflected magnetically to produce thrust. Charged pions ultimately decay into a combination of neutrinos (carrying about 22% of the energy of the charged pions) and unstable charged muons (carrying about 78% of the charged pion energy), with the muons then decaying into a combination of electrons, positrons and neutrinos (cf. muon decay; the neutrinos from this decay carry about 2/3 of the energy of the muons, meaning that from the original charged pions, the total fraction of their energy converted to neutrinos by one route or another would be about 1=0.22 + (2/3)⋅0.78 = 0.74).

Оружие

Антивещество рассматривалось как механизм инициирования ядерного оружия. Основным препятствием является сложность производства антиматерии в достаточных количествах, и нет оснований полагать, что это когда-либо станет возможным. Тем не менее, ВВС США финансировали исследования физики антиматерии в период холодной войны и начали изучать возможность её применения в оружии, не только в качестве инициатора, но и в качестве самого взрывчатого вещества.