Антивещество: а что о нем известно; как оно создается; его применение сегодня и завтра?

Мюон - элементарная частица без всяких кавычек, по крайней мере на современом уровне знания.

Антивещество и космология. УФН, 1971


Продукты аннигиляции,сСтационарная модель, модель Альвена - Клейна и т.д.

Frank Close, "Antimatter"
Oxford University Press, USA (2009)
Pages: 177



Clifford M. Surko, Franco A. Gianturco
New Directions in Antimatter Chemistry and Physics
Springer (2010)

Немного из истории взглядов на то, каким может быть ускорение свободного падения для антиматерии:

Статья в традиционно довольно попсовом "Попмехе" (что делать, формат такой) - но статья в данном случае неожиданно очень неплоха, а главное - там упоминается пара очень интересных исторических моментов:

---

Вот над этой задачей в 1927 году и задумался Дирак. Для сохранения инвариантности он включил в уравнение не квадраты операторов энергии и импульса, а их первую степень. Чтобы записать уравнение в таком виде, пришлось изначально ввести в него более сложные, чем у Паули, матрицы размером 4 × 4. У этого уравнения обнаружились четыре равноправных решения, причем в двух случаях энергия электрона положительна, а в двух — отрицательна.

Тут-то и возникла загвоздка. Первая пара решений интерпретировалась просто — это обычный электрон в каждом из возможных спиновых состояний. Если добавить в уравнение Дирака электромагнитное поле, то легко получится, что электрон обладает правильным магнитным моментом. Это был гигантский успех теории Дирака, которая без всяких дополнительных предположений наделила электрон и спином, и магнитным моментом. Однако в первое время никто не мог решить, что делать с остальными решениями. И в ньютоновской, и в эйнштейновской механике энергия свободной частицы никогда не бывает отрицательной, и частицы с энергией меньше нуля вызывали недоумение. К тому же было непонятно, почему обычные электроны не переходят в предсказанные теорией Дирака состояния с заведомо меньшей энергией, в то время как электроны в оболочках атомов такой возможности не упускают.

Через два года Дирак нашел очень красивую интерпретацию парадоксальных решений. В соответствии с принципом Паули два электрона (как и любые частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одинаковом квантовом состоянии. По мысли Дирака, все состояния с отрицательной энергией в норме уже заполнены, а переход в эти состояния из зоны положительных энергий запрещен принципом Паули. Поэтому дираковское море электронов с отрицательной энергией в принципе не наблюдаемо, но лишь до тех пор, пока в нем нет свободных вакансий. Такую вакансию можно создать, если вышибить электрон с отрицательного энергетического уровня на положительный (например, достаточно мощным квантом электромагнитного излучения). Поскольку электронное море потеряет единицу отрицательного заряда, появившаяся вакансия (Дирак назвал ее дыркой) будет вести себя в электрическом поле как частица с плюсовым зарядом. По этой же логике падение электрона из нормального состояния в такую дырку ведет к исчезновению и электрона, и дырки, сопровождающемуся испусканием одного фотона.

А как проявляют себя дираковские дырки в реальном мире? Сначала Дирак отождествлял их с протонами, о чем в 1930 году и написал в Nature. Это было как минимум странно — протон в 2 000 раз тяжелее электрона. Будущий академик и нобелевский лауреат Игорь Тамм и будущий отец атомной бомбы Роберт Оппенгеймер выдвинули и более серьезное возражение, заметив, что тогда каждый атом водорода стоит перед угрозой исчезновения, а этого в природе не происходит. Дирак вскоре отказался от этой гипотезы и в сентябре 1931 года выступил со статьей, где предсказал, что дырки, если их удастся обнаружить, окажутся совершенно новыми частицами, неизвестными экспериментальной физике. Он предложил назвать их антиэлектронами.

Дираковская модель ушла в историю после создания квантовой электродинамики и квантовой теории поля, которые приписывают частицам и античастицам одинаковую реальность. Из квантовой электродинамики следует также, что встреча свободного электрона с антиэлектроном влечет за собой рождение не менее пары квантов, так что в этой части модель попросту неверна. Как нередко бывает, уравнение Дирака оказалось много умнее интерпретации, предложенной его создателем.

---

От 2011:

Удерживать нейтральные атомы антивещества значительно сложнее, чем отдельные заряженные частицы (позитроны и антипротоны) Однако коллаборация ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) в ЦЕРНе изобрела способ получать и сохранять «холодные» атомы антиводорода.

Для получения антиводорода используется поток антипротонов с ускорителя AD (antiproton decelerator), который тормозится и охлаждается, а затем смешивается с облаком позитронов. За секунду такого взаимодействия рождается около 6 тысяч атомов антиводорода, но большая их часть аннигилирует при соприкосновении со стенками камеры.

Авторы исследования ранее разработали специальное устройство-ловушку, внутри которого создается очень мощное и сложное по конфигурации магнитное поле, которое не дает атомам антиводорода повстречаться с обычной материей и аннигилировать. Ловушка позволяла удерживать атомы антиводорода в течение примерно одной десятой доли секунды – это достаточно долгий срок, чтобы исследовать свойства антиматерии, например, получить ее спектр.

На сей раз физикам удалось удержать антиводород в течение 16 минут 40 секунд.

 

Алферов вспоминал, что Борис Павлович Константинов^* в какой-то период, в 50-х, что ли (а может в 60-х?), выдвигал гипотезы о том, что антивещество может содержаться в метеоритах и вообще присутствовать в околосолнечном пространстве, и чуть ли не некие воздушные замки для энергетики на основании этого строил. Подумали, попробовали строить теории. Гипотеза, ессно, не оправдалась, но из попыток проверки родилась гамма-спектроскопия, а наработки теорий, пытавшихся предложить механизмы возникновения антивещества в Солнечной пригодились для теорий Большого взрыва (где, как ныне полагают, сперва антивещества было в избытке).

Кстати, в тот период в метеоритах много чего пытались искать наудачу - например, монополи.


^* зав. одной из лабораторий ЛФТИ, в дальнейшем и директор, впоследствии академик, создатель метода разделения изотопов лития для "лидочки".