I partikkel-fysikk , antimatter er det sett av antipartikler som har den samme masse og samme spinn , men ladninger , baryon tall og leptonic tall motsatt til vanlige partikler.
Antimateriale eksisterer bare i små mengder i lokaluniverset, enten i kosmiske stråler eller produsert i laboratoriet. Mye av arbeidet med antimateriale består i å forklare mangel på antimateriale sammenlignet med materie. I følge Big Bang- teorien burde materie og antimateriale ha vært til stede i like store mengder.
Forskjellen mellom materie og antimateriale er laget på ladningsnivå (inkludert elektrisk ladning): partiklene som utgjør antimateriale har motsatte ladninger til partikler som spiller samme rolle i materie. For eksempel inkluderer materie protoner , positive og elektroner , negative. Antimateriale inkluderer derfor antiprotoner , negative og antielektroner (eller positroner ), positive.
For en elementær partikkel med null ladning er det mulig å være sin egen antipartikkel: dette er tilfellet med fotonet .
Antimatter ble først forestilt seg da Paul Dirac skrev ligningen med navnet hans i 1928, og la merke til at den fremdeles gjaldt partikler med motsatt ladning. Han utleder at for hver partikkel eksisterer det en tilsvarende antipartikkel, som har samme egenskaper, men med motsatt ladning.
Den første partikkelen av antimateriale som er oppdaget er en antielektron (eller positron), oppdaget av Carl David Anderson som studerte sporene etter kosmiske stråler .
I 1936 , Fritz Zwicky studert materie og antimaterie i stjerner og galakser på Mount Palomar Observatory .
Den antiproton ble oppdaget i 1955 av Emilio Segre , den antineutron i 1956 av Bruce Cork .
I 1965 ble den første “anti-kjerne” skapt med en anti-deuteron, kjernen av anti- deuterium i Proton Synchrotron ved CERN og på Alternating Gradient Synchrotron på den Brookhaven National Laboratory .
I 1995 ble det første atom av antimateriale opprettet, antihydrogen , i et CERN- laboratorium i Genève.
I 2010 ble de første anti- hypernukleene opprettet .
De 18. november 2010, Har CERN-forskere kunngjort at de med hell har fanget antihydrogenatomer i et magnetfelt for første gang.
I 2011 ble den tyngste anti-kjernen observert: en kjerne på 4 He (antihelium-4)
I 2019 kjenner vi antipartiklene til rare , bunn og sjarmerte kvarker .
Antimateriale og materie, når de kommer i kontakt, kan utslette hverandre. De blir deretter transformert til energi, i henhold til ligningen E = mc 2 . Faktisk er dette den eneste kjente situasjonen der masse omdannes til energi. Til sammenligning frigjør en konvensjonell kjernefysisk reaksjon bare en veldig liten del av "masse" -energien som finnes i kjernebrenselene som brukes (~ 1 tusendel), men sistnevnte frigjør imidlertid mye mer energi selv enn forbrenning (~ 1 million ganger mer).
Dette fenomenet er reversibelt: energi kan transformeres til et materie / antimateriapar. Men det tar en enorm konsentrasjon av energi for å oppnå dette.
Dette fenomenet kan ikke brukes som energikilde, siden det eneste antimateriale som er tilgjengelig produseres i laboratoriet nettopp ved denne reaksjonen. De lover bevaring av fysiske fenomener gjør det umulig å få energi i samsvar med etableringen og ødeleggelse av antimaterie.
Antimateriale kan derimot teoretisk brukes som et middel til å lagre energi , men for øyeblikket er energien som skal brukes til å lage antimateriale lik 10 8 ganger gjenvunnet energi.
C, P og T er henholdsvis symmetrioperasjoner ved inversjon av elektrisk ladning, paritet (dvs. koordinater i 3-dimensjonalt rom) og tid. Vi vil da være interessert i å vurdere at utviklingen av et system bevarer eller ikke en, 2 eller disse 3 symmetriene.
I henhold til standardmodellen skal materie og antimateriale finnes i like store mengder i universet, noe de ikke er. Med forbedringen av observasjonsteknikker har fraværet av antimateriale blitt etablert i vår galakse, deretter i nærliggende galakser og til slutt i hele det synlige universet. En hypotese fremsatt av forskere er eksistensen av en asymmetri mellom materie og antimateriale. Denne asymmetrien vil være opprinnelsen til det tilsynelatende fraværet av antimateriale i universet. Anta at materie og antimateriale er perfekt symmetriske, idet de er i like store mengder etter Big Bang, ville alt materie og antimateriale blitt statistisk utslettet. Vår eksistens viser at det fortsatt er materiell igjen. Så det ser ikke ut til å være fullstendig symmetri. Denne asymmetrien avsløres av en liten forskjell mellom interaksjonen mellom en partikkel av materie og en antipartikkel. Denne asymmetrien ble forklart i 1965 av Andreï Sakharov ved hjelp av " CP symmetry breaking " (eksperimentelt oppdaget i 1964). Dette bruddet har imidlertid lenge vært omstridt, og det ser ut til at Sakharov ikke var klar over disse erfaringene da han publiserte sin modell.
Sakharov bestemte tre forhold som kunne forklare overgangen fra et univers som består av lik materie og antimaterie til et univers som utelukkende består av materie:
Den første overtredelsen av charge parity symmetry (forkortet CP-symmetri ) ble observert i 1964 på rare kvarker . I 2001 ble brudd på CP-symmetri funnet på bunnkvarker , og i mars 2019 oppdaget LHC det for sjarmerte kvarker .
De kaons nøytrale er partikler som spontant i sine egne antipartikler, og dette i begge retninger. Men det er en asymmetri i denne transformasjonen, inkludert med hensyn til CP-symmetri: transformasjonen av et kaon til et antikaon er litt langsommere enn det motsatte. Antall tilstedeværende kaoner har derfor en tendens til å være større enn antallet antikaoner på et gitt tidspunkt.
Denne asymmetrien kan forklare hvorfor antimateriale befant seg i et veldig lite mindretall (en milliarddel mindre) sammenlignet med materie (1.000.000.000 partikler av antimateriale for 1.000.000.001 partikler av klassisk materie). Den gjensidige utslettelsen førte da til å etterlate bare materie, i liten mengde sammenlignet med mengden som var tilstede før utslettelsen.
En veldig liten del av universet ville være synlig fordi større teleskoper har en grense, og antimateriale kan være langt utenfor synsfeltet.
I tillegg, jo lenger man ser, jo mer man ser i fortiden , tar lyset en viss tid å reise. Universet er imidlertid omtrent 13,7 milliarder år gammelt. Derfor er det bare mulig å se objekter hvis lys har gått i mindre enn 13,7 milliarder år (som plasserer grensen for det observerbare universet i en romlig avstand, ikke 13,7 milliarder år). Milliarder lysår , men 43 milliarder lysår, på grunn av til utvidelsen av universet ). Antimateriale finnes utenfor denne synlige "horisonten".
Elementer på størrelse med en galakse , men lysende rom med intensiteten av milliarder galakser, observeres for tiden ved grensene til det observerbare universet . I følge visse hypoteser kunne disse himmelobjektene være regioner der materie og antimateriale ville møtes og ville bli konsentrert, under tyngdekraften , i en slags blandet galakse hvor møtene mellom materie og antimateriale ville være veldig mange, derav deres sterke lysstyrke .
Imidlertid, som sagt ovenfor, er fotonet som sin egen antipartikkel, ingenting gjør det enkelt å skille en fjern galakse (eller en klynge) av antimateriale fra en galakse (eller en klynge) av materie. Til slutt kan vi påpeke at for å få materie og antimateriale til å eksistere sammen i et enkelt univers, er det tilstrekkelig å innrømme at dette universet er sterkt strukturert, og at det av en grunn som ikke er etablert ennå ikke er noen "umiddelbar blanding" av. disse to delene.
En hypotese fremmet er imidlertid at det kan være gravitasjonsdysymmetri mellom partikler og antipartikler på nivået med deres tunge masse (men ikke nødvendigvis av deres inerte masse), med i ekstreme tilfeller et antigravitasjonsfenomen for sistnevnte: forskjellige eksperimenter ved CERN ( GBar, AlphaG eller til og med Aegis) sikter også mot 2019-2021 for å måle en slik mulig asymmetri av antimateriale.
I ekstreme tilfeller (modellert av et såkalt Dirac-Milne-univers fremmet av den franske fysikeren Gabriel Chardin ), ville frastøtet mellom materie og anti-materie, og mellom partiklene av anti-materie selv, ha ført til at sistnevnte ikke ikke å konsentrere seg i stjerner som for materie, men tvert imot å fortynne så mye som mulig i rommet ( litt som en gass i en ballong tar opp alt tilgjengelig volum ), vekk fra områder med stoffkonsentrasjon, i regioner som for tiden er utpekt som mellomrom .
I denne fortsatt minoritetshypotesen ville antipartiklene ikke på mystisk vis ha forsvunnet under Big-Bang, men de ville ganske enkelt bli funnet fortynnet i disse regionene til det var uoppdagelige.
En hypotese foreslår at antimateriale ble projisert, under dannelsen av universet, til et "parallelt" univers, og da bare besto av antimateriale (eller i det minste hvor materie ville være like sjeldent som antimateriale i vårt). Dette parallelle universet vil da bli kalt “antiunivers”. Hypotesen er ganske mindretall.
Det skal ikke forveksles med hypotesen til Sakharov , for hvem det er et univers som består av antimateriale før tid null, og materie etter.
Ved hjelp av Fermi- romteleskopet oppdaget Michael Briggs, en astrofysiker ved University of Alabama, at lyn som fulgte et tordenvær produserte antipartikler ( positroner ). Den gjensidige utslettelsen av disse positronene og de tilsvarende elektronene (deres antipartikler) manifesterer seg i form av gammastråler, hvis topp ved 511 keV er typisk for et slikt fenomen. Energien på grunn av dette møtet mellom materie og antimateriale stiger mot den øvre atmosfæren under disse stormene.
I tillegg er det demonstrert et naturlig antiprotonbelte rundt jorden.
Produksjon og bevaringForskning på produksjon og lagring av antimateriale forbedres raskt over tid: i dag er vi i stand til å lage antimateriale, spesielt ved å bruke partikkelakseleratorer . Partikkelakseleratorer forårsaker dannelse av antiprotoner og positroner (antielektroner) ved å kaste partikler mot hverandre . Det er nå mulig å isolere dem fra de andre partiklene via en kompleks metode og fange dem i et magnetfelt under vakuum .
Forskere har allerede lagret millioner av antipartikler i reservoarer i en uke. Vanskeligheten med lagring virker på forhånd , lagringstidene forbedres raskt, samt kunnskapen til å produsere tilstrekkelige mengder som kreves av eksperimentens behov, (men ikke i noe tilfelle som energilagring). Imidlertid må disse antipartiklene være i høy hastighet etter opprettelsen, og de må reduseres veldig sterkt for å oppnå lett å studere antiatomer: denne prosessen er ennå ikke løst. Aegis-eksperimentet, som gjennomføres på CERN , tar sikte på å teste effekten av tyngdekraften på antimateriale.
Med en "antimateriafabrikk" som bruker nåværende teknikker, bygget utelukkende for å produsere den (i motsetning til partikkelakseleratorer, som ikke dette er det primære formålet med), kan mengden antimateriale som produseres øke dramatisk.
Mengdene som ble produsert, samlet over flere måneder eller år, kan kanskje bidra til romfart. En enorm mengde drivstoff er avgjørende bare ved start, for å unnslippe den jordiske attraksjonen; husk for eksempel volumforholdet mellom en romkapsel og raketten som sender den ut av atmosfæren: mesteparten av drivstoffet er viet til å akselerere drivstoffet som fremdeles ikke forbrukes.
I romfartssektorenNASA-forskning spår at det ville være mulig å ha 10 mg antimateriale, tilstrekkelig for en jord - mars- tur , for "bare" 250 millioner dollar.
På det militære feltetEn bombe som bruker ett gram antimateriale, vil frigjøre 43 kilotons energi , tre ganger Hiroshima-bomben . Imidlertid forbyr produksjonskostnadene i praksis bruk av en slik bombe.
Antimateriale kan tjene som en detonator i en termonuklear fusjonsreaksjon . Dette vil gjøre det mulig å kvitte seg med H-bombe detonatoren , som er en A-bombe ( veldig forurensende fisjoneringsreaksjon av tunge materialer som uran eller plutonium ).
Således ble 5 kg av plutonium som kreves for en fisjons kjede reaksjon ikke lenger ville være nødvendig og ville bli erstattet av noen få mikrogram av antimaterie. Størrelsen på H-bomber ville dermed lett reduseres, noe som ville tillate bruk i konvensjonelle kriger. I tillegg vil radioaktivt nedfall (uten A-bomben) reduseres betydelig ved ikke å bruke langlivede radioaktive elementer.
I medisinAntimateriale kan brukes under visse strålebehandlinger . Antimaterialet ville gjøre det mulig å bestråle fire ganger flere kreftceller med mindre skade på sunt vev, noen ganger skadet av strålingen som ble brukt.
Den PET-skanning (Positron Emission Tomography) eller positron emisjon tomografi allerede benytter egenskapene til positron-elektron-vekselvirkning for diagnostiske formål. Glukoseholdige radioaktive kjerner injiseres i kroppen til personen som gjennomgår PET-skanningen. Oppløsningen av disse radioaktive kjernene avgir positroner , som vil reagere med elektronene som er tilstede i menneskekroppen i henhold til materie-antimaterie-reaksjonen. Dette produserer fotoner med en bestemt energi, slik at de kan identifiseres. Til slutt kan vi vite hvor glukosemolekylene er festet i kroppen.
Flere verk av science fiction omhandler antimateriale. Dette er spesielt tilfellet med Engler og demoner av Dan Brown , der tyveri av et gram antimateriale er en nøkkel til handlingen, eller fremdriftsmodusen til Star Treks Enterprise- romskip .