5 фактов об антиматерии — одной из главных загадок науки

1. Антиматерии в мире меньше, чем материи, — и это парадокс

У каждого электрона и протона, из которых состоит наш привычный мир, есть античастица с такой же массой, но противоположным зарядом. Частицы эти называются позитроны и антипротоны соответственно. 

С нейтронами ситуация немного сложнее. Они не имеют заряда, а потому можно предположить, что для себя они сами же и являются античастицами. Но это не так: антинейтроны существуют. Дело в том, что нейтроны состоят из кварков, у которых есть «близнецы» — антикварки. И из них-то и состоят антинейтроны.

Когда частица встречается с античастицей, происходит микровзрыв, и они обе аннигилируют — взаимоуничтожаются. В результате остаётся лишь набор фотонов — частиц света. И здесь возникает парадокс: согласно космологической теории, в ранней Вселенной количество частиц и античастиц было равным. В таком случае после Большого взрыва вся материя и антиматерия должны были полностью разрушить друг друга.

Но поскольку наш мир состоит только из материи, очевидно, этого не произошло. Куда же делось антивещество? На этот счёт существует много теорий, однако пока ни одна из них не признана достоверной. 

2. Учёные добывают антивещество в специальных ускорителях

В романе Дэна Брауна «Ангелы и Демоны» сюжет разворачивается вокруг похищенного из ЦЕРНа контейнера с антиматерией — её взрыв уничтожит Ватикан, если главные герои не остановят преступников.

В жизни всё гораздо прозаичнее. Да, учёные умеют получать антиматерию и даже умудряются проводить с ней эксперименты. Но то количество антивещества, которое удалось синтезировать, ничтожно мало и никакой опасности для нас пока не несёт. Ведь речь идёт даже не о граммах, а, скорее, об отдельных атомах. 

Антиматерию получают в ускорителях частиц. Сначала пучки протонов разгоняют до невероятно высоких скоростей. Затем их сталкивают с мишенью из плотного металла, например платины или иридия. В результате возникает множество различных частиц, включая антипротоны, которые движутся быстро и хаотично.

Чтобы выделить антиматерию, античастицы аккуратно замедляют, собирают и удерживают в специальных магнитных ловушках, чтобы те не соприкоснулись с обычной материей и не уничтожились.

Недавно в изучении антиматерии произошёл прорыв. Международный коллектив учёных, работающих с ускорителем тяжёлых ионов RHIC, создал редкий вид антиматерии — антигиперводород-4. Эта «молекула» состоит из одного антипротона, двух антинейтронов и анти-лямбда-бариона. Чтобы получить 16 таких частиц, пришлось столкнуть более 6,4 миллиарда ядер тяжёлых атомов урана и золота.

Их изучение позволило понять, как они распадаются и как долго существуют, а также сравнить их свойства с обычным гиперводородом-4. Никаких различий между материей и её «аналогом» учёные не обнаружили. Но они уже планируют дальнейшие исследования, которые могут приблизить их — и нас — к ответу на вопрос о том, куда исчезла антиматерия в первые моменты существования Вселенной. 

3. Антивещество уже применяют в медицине

Несмотря на то, что антиматерия и её свойства оставляют много вопросов, а добывать её сложно, у неё уже есть практическое применение. Антивещество активно используется в медицине, в частности — в позитронно-эмиссионной томографии.

Пациенту вводится безопасная доза радиоактивного препарата, который содержит нестабильный изотоп. В результате его распада выделяются позитроны, которые сталкиваются с электронами в теле и аннигилируют, уничтожая друг друга. 

В итоге выделяются гамма-фотоны, частицы света, которые летят в противоположных направлениях. Специальные детекторы фиксируют эти кванты, позволяя построить подробную 3D-карту активности тканей. Таким образом можно определять зону, где образуются опухоли, поскольку они поглощают больше вещества-метки, чем нормальные клетки.

Кроме того, в ЦЕРНе проводится эксперимент ACE — учёные изучают, как антипротоны могут использоваться для лечения рака. Исследования показывают, что эти античастицы в четыре раза эффективнее протонов, которые уже применяются в лучевой терапии.

Такой метод может быть особенно полезен для лечения сложных или рецидивирующих опухолей, но пока он находится на стадии экспериментов. Для практического применения потребуется гораздо больше времени, исследований и разработок.

4. Антиматерия существует в бананах

Да, бананы действительно выделяют античастицы! Это происходит потому, что в них содержится небольшое количество радиоактивного изотопа калия-40, который встречается в природе. Когда он распадается, из атомного ядра выбрасывается позитрон — античастица электрона. В случае с бананами это происходит примерно раз в 75 минут. 

Позитрон сразу сталкивается с электроном из окружающей материи, и происходит аннигиляция, после которой от частиц остаётся лишь два гамма-фотона. Эти процессы остаются незаметными для нас из-за их мизерного масштаба.

Более того, калий-40 содержится и в теле человека — а значит, и мы с вами иногда синтезируем античастицы. Опасаться здесь тоже нечего: это никак не влияет на здоровье и состояние организма.  

5. Существует гипотеза, что некоторые частицы могут быть собственными античастицами

Майорановские частицы — это гипотетический класс элементарных частиц. Если они существуют, то обладают уникальной особенностью — являются своими собственными античастицами. 

Эту идею предложил итальянский физик Этторе Майорана в 1937 году, когда искал решение уравнений, описывающих поведение элементарных частиц в рамках квантовой механики и теории относительности. Он показал математически, что можно предсказать существование нового их типа. Эти частицы должны быть нейтральными (не иметь электрического заряда) и совмещать в себе свойства материи и антиматерии.

В XXI веке учёные активно ищут свидетельства существования частиц Майораны. Хотя их еще не обнаружили в природе, предполагается, что они могут проявляться в топологических сверхпроводниках. Это такие материалы, которые проводят ток только по своей поверхности, а внутри остаются изолирующими.

Обнаружение и исследование частиц Майораны имеет огромный потенциал в квантовых технологиях. Если их удастся найти, их можно будет использовать для создания сверхстабильных квантовых компьютеров, которые не будут терять информацию из-за внешних помех.

На сегодняшний день прямого подтверждения существования элементарных фермионов Майораны нет, но эксперименты продолжаются.