Antimaterie

In der Partikel-Physik ist Antimaterie die Erweiterung des Konzepts des Antiteilchens, um von Bedeutung zu sein, wo Antimaterie aus Antiteilchen ebenso zusammengesetzt wird, dass normale Sache aus Partikeln zusammengesetzt wird. Zum Beispiel kann ein Positron (das Antiteilchen des Elektrons oder) und ein Antiproton ein Antiwasserstoffatom ebenso bilden, dass ein Elektron und ein Proton eine "normale Sache" Wasserstoffatom bilden. Außerdem kann das Mischen der Sache und Antimaterie zur Vernichtung von beiden, ebenso dieser führen sich vermischende Antiteilchen und Partikeln tun, so energiereiche Fotonen (Gammastrahlung) oder andere Paare des Partikel-Antiteilchens verursachend. Das Ergebnis der Antimaterie-Treffen-Sache ist eine Explosion.

Es gibt beträchtliche Spekulation betreffs, warum das erkennbare Weltall anscheinend fast völlig der Sache zusammengesetzt wird (im Vergleich mit einer Mischung der Sache und Antimaterie), ob dort andere Plätze bestehen, die fast aus der Antimaterie statt dessen völlig zusammengesetzt werden, und welche Sorten der Technologie möglich sein könnten, wenn Antimaterie angespannt werden konnte. In dieser Zeit ist die offenbare Asymmetrie der Sache und Antimaterie im sichtbaren Weltall eines der größten ungelösten Probleme in der Physik. Der Prozess, durch den diese Asymmetrie zwischen Partikeln und entwickelten Antiteilchen baryogenesis genannt wird.

Geschichte des Konzepts

Die Idee von der negativen Sache ist in vorigen Theorien der Sache, Theorien erschienen, die jetzt aufgegeben worden sind. Mit einmal populäre Wirbelwind-Theorie des Ernstes wurde die Möglichkeit der Sache mit dem negativen Ernst von William Hicks in den 1880er Jahren besprochen. Zwischen 1880er Jahren und 1890er Jahren hat Karl Pearson die Existenz von "Spritzen" (Quellen) und Becken des Flusses des Narkoseäthers vorgeschlagen. Die Spritzen haben normale Sache vertreten, und das Becken hat negative Sache, ein Begriff vertreten, der Pearson das Münzen zugeschrieben wird. Die Theorie von Pearson hat verlangt, dass eine vierte Dimension für den Narkoseäther von und in geflossen ist.

Der Begriff Antimaterie wurde zuerst von Arthur Schuster in zwei ziemlich wunderlichen Briefen an die Natur 1898 gebraucht, in der er den Begriff ins Leben gerufen hat. Er hat Antiatome, sowie ganze Antimaterie Sonnensysteme Hypothese aufgestellt, und hat die Möglichkeit der Sache und Antimaterie besprochen, die einander vernichtet. Die Ideen von Schuster waren nicht ein ernster theoretischer Vorschlag, bloß Spekulation, und wie die vorherigen Ideen, haben sich vom modernen Konzept der Antimaterie unterschieden, in der es negativen Ernst besessen hat.

Die moderne Theorie der Antimaterie hat 1928 mit einem Vortrag von Paul Dirac begonnen. Dirac hat begriffen, dass seine relativistische Version der Wellengleichung von Schrödinger für Elektronen die Möglichkeit von Antielektronen vorausgesagt hat. Diese wurden von Carl D. Anderson 1932 und genannten Positronen (eine Zusammenziehung "positiver Elektronen") entdeckt. Obwohl Dirac den Begriff Antimaterie nicht selbst gebraucht hat, macht sein Gebrauch natürlich genug von Antielektronen, Antiprotonen usw. gleich weiter. Ein ganzes Periodensystem der Antimaterie wurde von Charles Janet 1929 vorgestellt.

Notation

Eine Weise, ein Antiteilchen anzuzeigen, ist durch das Hinzufügen einer Bar über das Symbol der Partikel. Zum Beispiel werden das Proton und Antiproton als und beziehungsweise angezeigt. Dieselbe Regel gilt, wenn man war, eine Partikel durch seine konstituierenden Bestandteile zu richten. Ein Proton wird aus Quarken zusammengesetzt, so muss ein Antiproton deshalb von Antiquarken gebildet werden. Eine andere Tagung ist, Partikeln durch ihre elektrische Anklage zu unterscheiden. So werden das Elektron und der Positron einfach als und beziehungsweise angezeigt. Jedoch, um Verwirrung zu verhindern, wird die zwei Vereinbarung nie gemischt.

Ursprung und Asymmetrie

Fast die ganze von der Erde erkennbare Sache scheint, aus der Sache aber nicht Antimaterie gemacht zu werden. Wenn Antimaterie-beherrschte Gebiete des Raums beständen, würde die Gammastrahlung, die in Vernichtungsreaktionen entlang der Grenze zwischen Sache und Antimaterie-Gebieten erzeugt ist, feststellbar sein.

Antiteilchen werden überall im Weltall geschaffen, wo energiereiche Partikel-Kollisionen stattfinden. Energiereiche kosmische Strahlen, die die Atmosphäre der Erde (oder jede andere Sache im Sonnensystem) zusammenpressen, erzeugen Minutenmengen von Antiteilchen in den resultierenden Partikel-Strahlen, die durch den Kontakt mit der nahe gelegenen Sache sofort vernichtet werden. Sie können in Gebieten wie das Zentrum der Milchstraße und anderen Milchstraßen ähnlich erzeugt werden, wo sehr energische himmlische Ereignisse (hauptsächlich die Wechselwirkung von relativistischen Strahlen mit dem interstellaren Medium) vorkommen. Die Anwesenheit der resultierenden Antimaterie ist durch die zwei Gammastrahlung feststellbar hat jedes Mal erzeugt, wenn Positrone mit der nahe gelegenen Sache vernichten. Die Frequenz und Wellenlänge der Gammastrahlung zeigen an, dass jeder 511 keV der Energie (d. h., die Rest-Masse eines Elektrons trägt, das mit c multipliziert ist).

Neue Beobachtungen durch den INTEGRIERTEN Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation können den Ursprung einer riesigen Wolke der Antimaterie erklären, die das galaktische Zentrum umgibt. Die Beobachtungen zeigen, dass die Wolke asymmetrisch ist und das Muster von Röntgenstrahl-Dualzahlen (binäre Sternsysteme vergleicht, die schwarze Löcher oder Neutronensterne enthalten) größtenteils auf einer Seite des galaktischen Zentrums. Während der Mechanismus nicht völlig verstanden wird, wird er wahrscheinlich die Produktion von Elektronpositron-Paaren einschließen, weil gewöhnliche Sache enorme Energie gewinnt, während sie in einen Sternrest fällt.

Antimaterie kann in relativ großen Beträgen in entfernten Milchstraßen wegen der kosmischen Inflation in der primordialen Zeit des Weltalls bestehen. Wie man erwartet, haben Antimaterie-Milchstraßen, wenn sie bestehen, dieselbe Chemie und Absorption und Emissionsspektren als Milchstraßen der normalen Sache, und ihre astronomischen Gegenstände würden Beobachtungs-identisch sein, sie schwierig machend, zu unterscheiden. NASA versucht zu bestimmen, ob solche Milchstraßen durch das Suchen nach Röntgenstrahl und Gammastrahl-Unterschriften von Vernichtungsereignissen in kollidierenden Supertrauben bestehen.

Natürliche Produktion

Positrone werden natürlich im β Zerfall natürlich vorkommender radioaktiver Isotope (zum Beispiel, Kalium 40) und in Wechselwirkungen von Gammaquanten (ausgestrahlt durch radioaktive Kerne) mit der Sache erzeugt. Antineutrinos sind eine andere Art von Antiteilchen, die durch die natürliche Radioaktivität (β Zerfall) geschaffen sind. Viele verschiedene Arten von Antiteilchen werden auch durch erzeugt (und in enthalten) kosmische Strahlen. Neu (bezüglich des Januars 2011) hat die Forschung durch die amerikanische Astronomische Gesellschaft Antimaterie (Positrone) entdeckt, die über Gewitter-Wolken entstehen; Positrone werden in Gammastrahl-Blitzen erzeugt, die durch Elektronen geschaffen sind, die durch starke elektrische Felder in den Wolken beschleunigt werden. Wie man auch gefunden hat, haben Antiprotone in den Riemen von Van Allen um die Erde durch das PAMELA Modul bestanden.

Künstliche Produktion

Antiteilchen werden auch in jeder Umgebung mit einer genug hohen Temperatur (Mittelpartikel-Energie erzeugt, die größer ist als die Paar-Produktionsschwelle). Während der Periode von baryogenesis, als das Weltall äußerst heiß und dicht war, wurden Sache und Antimaterie ständig erzeugt und vernichtet. Die Anwesenheit der restlichen Sache und Abwesenheit der feststellbaren restlichen Antimaterie, auch genannt baryon Asymmetrie, werden der Übertretung der Verbindungssache der BEDIENUNGSFELD-SYMMETRIE zur Antimaterie zugeschrieben. Der genaue Mechanismus dieser Übertretung während baryogenesis bleibt ein Mysterium.

Positrone können auch durch den radioaktiven Zerfall erzeugt werden, aber dieser Mechanismus kann sowohl natürlich als auch künstlich vorkommen.

Positrone

Wie man

berichtete, waren Positrone im November 2008 von Lawrence Livermore Nationales Laboratorium in größeren Zahlen erzeugt worden als durch jeden vorherigen synthetischen Prozess. Ein Laser hat Elektronen durch ein Gold des Millimeter-Radius die Kerne des Ziels gesteuert, die die eingehenden Elektronen veranlasst haben, Energiequanten auszustrahlen, die sowohl in die Sache als auch in Antimaterie verfallen sind. Positrone wurden an einer höheren Rate und in der größeren Dichte entdeckt als jemals vorher entdeckt in einem Laboratorium. Vorherige Experimente haben kleinere Mengen von Positronen mit Lasern und papierdünnen Zielen gemacht; jedoch haben neue Simulationen gezeigt, dass kurze, ultraintensive Laser und mit dem Millimeter dickes Gold eine viel wirksamere Quelle sind.

Antiprotone, Antineutronen und Antikerne

Die Existenz des Antiprotons wurde 1955 von der Universität Kaliforniens, Physiker von Berkeley Emilio Segrè und Owen Chamberlains experimentell bestätigt, für den sie dem 1959-Nobelpreis in der Physik zuerkannt wurden. Ein Antiproton besteht aus zwei Antiquarke und ein unten Antiquark . Die Eigenschaften des Antiprotons, die das ganze Match die entsprechenden Eigenschaften des Protons mit Ausnahme vom Antiproton gemessen worden sind, das entgegengesetzte elektrische Anklage und magnetischer Moment vom Proton hat. Kurz später, 1956, wurde das Antineutron in Protonenproton-Kollisionen an Bevatron (Lawrence Berkeley Nationales Laboratorium) von Bruce Cork und Kollegen entdeckt.

Zusätzlich zu antibaryons sind Antikerne, die aus vielfachen bestimmten Antiprotonen und Antineutronen bestehen, geschaffen worden. Diese werden normalerweise an Energien zu hoch erzeugt, um Antimaterie-Atome (mit bestimmten Positronen im Platz von Elektronen) zu bilden. 1965 hat eine Gruppe von von Antonino Zichichi geführten Forschern Produktion von Kernen von antischwerem Wasserstoff am Protonensynchrotron an CERN gemeldet. In grob derselben Zeit wurden Beobachtungen von Kernen des antischweren Wasserstoffs von einer Gruppe von amerikanischen Physikern am Wechselanstieg-Synchrotron am Brookhaven Nationalen Laboratorium berichtet.

Antiwasserstoffatome

1995 hat CERN bekannt gegeben, dass er in die Existenz neun Antiwasserstoffatome durch das Einführen des SLAC/Fermilab Konzepts während des PS210-Experimentes erfolgreich gebracht hatte. Das Experiment wurde mit Low Energy Antiproton Ring (LEAR) durchgeführt, und wurde von Walter Oelert und Mario Macri geführt. Fermilab hat bald die CERN Ergebnisse durch das Produzieren von etwa 100 Antiwasserstoffatomen an ihren Möglichkeiten bestätigt. Die Antiwasserstoffatome, die während PS210 und nachfolgender Experimente (sowohl an CERN als auch an Fermilab) geschaffen sind, waren ("heiß") äußerst energisch und wurden der Studie nicht gut angepasst. Um diese Hürde aufzulösen, und ein besseres Verstehen von Antiwasserstoff zu gewinnen, wurden zwei Kollaborationen gegen Ende der 1990er Jahre, nämlich, ATHENA und ATRAP gebildet. 2005 hat sich ATHENA aufgelöst, und einige der ehemaligen Mitglieder (zusammen mit anderen) haben die ALPHA-Kollaboration gebildet, die auch an CERN basiert. Die primäre Absicht dieser Kollaborationen ist die Entwicklung von weniger energischem ("kaltem") Antiwasserstoff, der besser der Studie angepasst ist.

1999 hat CERN das Antiproton Decelerator, ein Gerät aktiviert, das zu sich verlangsamenden Antiprotonen von zu — noch fähig ist, "zu heiß", um studienwirksamen Antiwasserstoff, aber einen riesigen Sprung vorwärts zu erzeugen. Gegen Ende 2002 hat das ATHENA-Projekt bekannt gegeben, dass sie den ersten "kalten" Antiwasserstoff in der Welt geschaffen hatten. Das ATRAP-Projekt hat ähnliche Ergebnisse sehr kurz danach veröffentlicht. Die in diesen Experimenten verwendeten Antiprotone wurden durch die Verlangsamung von ihnen mit dem Antiproton Decelerator, den Übergang ihnen durch eine dünne Platte von Folie, und schließlich das Gefangennehmen von ihnen in einer Falle des Einpferchens-Malmberg abgekühlt. Der gesamte kühl werdende Prozess ist bearbeitungsfähig, aber hoch ineffizient; etwa 25 Millionen Antiprotone verlassen das Antiproton Decelerator, und ungefähr 25,000 machen es zur Falle des Einpferchens-Malmberg, die über oder 0.1 % des ursprünglichen Betrags ist.

Die Antiprotone sind noch, wenn am Anfang gefangen, heiß. Um sie weiter abzukühlen, werden sie in ein Elektronplasma gemischt. Die Elektronen in diesem Plasma, das über die Zyklotron-Radiation kühl ist, und kühlen dann sympathisch die Antiprotone über Ampere-Sekunde-Kollisionen ab. Schließlich werden die Elektronen durch die Anwendung der kurzen Dauer elektrische Felder entfernt, die Antiprotone mit Energien weniger als 100 meV verlassend. Während die Antiprotone in der ersten Falle abgekühlt werden, wird eine kleine Wolke von Positronen von radioaktivem Natrium in einem Surko-artigen Positron-Akkumulator gewonnen. Diese Wolke wird dann in einer zweiten Falle in der Nähe von den Antiprotonen wiedererlangt. Manipulationen der Falle-Elektroden neigen dann die Antiprotone ins Positron-Plasma, wo eine Vereinigung mit Antiprotonen, um Antiwasserstoff zu bilden. Dieser neutrale Antiwasserstoff ist durch die elektrischen und magnetischen Felder ungekünstelt, die verwendet sind, um die beladenen Positrone und Antiprotone zu fangen, und innerhalb von ein paar Mikrosekunden schlägt der Antiwasserstoff die Falle-Wände, wo es vernichtet. Einige Hunderte von Millionen von Antiwasserstoffatomen sind auf diese Mode gemacht worden.

Die meisten gesuchten Tests der hohen Präzision der Eigenschaften von Antiwasserstoff konnten nur durchgeführt werden, wenn der Antiwasserstoff gefangen wurde, d. h. haben im Platz seit einer relativ langen Zeit gehalten. Während Antiwasserstoffatome elektrisch neutral sind, erzeugen die Drehungen ihrer Teilpartikeln einen magnetischen Moment. Diese magnetischen Momente können mit einem inhomogeneous magnetischen Feld aufeinander wirken; einige der Antiwasserstoffatome können von einem magnetischen Minimum angezogen werden. Solch ein Minimum kann durch eine Kombination des Spiegels und der Mehrpol-Felder geschaffen werden.

Antiwasserstoff kann in solch einer magnetischen minimalen (minimalen-B) Falle gefangen werden; im November 2010 hat die ALPHA-Kollaboration bekannt gegeben, dass sie 38 Antiwasserstoffatome seit ungefähr einer sechsten von einer Sekunde so gefangen hatten. Das war das erste Mal, dass neutrale Antimaterie gefangen worden war.

Am 26. April 2011 hat ALPHA bekannt gegeben, dass sie 309 Antiwasserstoffatome, einige seit nicht weniger als 1,000 Sekunden (ungefähr 17 Minuten) gefangen hatten. Das war länger, als neutrale Antimaterie jemals vorher gefangen worden war.

Der größte Begrenzungsfaktor in der groß angelegten Produktion der Antimaterie ist die Verfügbarkeit von Antiprotonen. Neue durch CERN veröffentlichte Daten stellen fest, dass, wenn völlig betrieblich, ihre Möglichkeiten dazu fähig sind, zehn Millionen Antiprotone pro Minute zu erzeugen. Eine 100-%-Konvertierung von Antiprotonen zu Antiwasserstoff annehmend, würde man 100 Milliarden Jahre brauchen, um 1 Gramm oder 1 Maulwurf von Antiwasserstoff (ungefähr Atome von Antiwasserstoff) zu erzeugen.

Antihelium

Antihelium 3 Kerne wurde zuerst in den 1970er Jahren in Protonenkern-Kollisionsexperimenten beobachtet

und später geschaffen in Kollisionsexperimenten des Kern-Kerns. Kollisionen des Kern-Kerns erzeugen Antikerne durch den coalescense von Antiprotonen und in diesen Reaktionen geschaffenen Antineutronen. 2011 hat der STERN-Entdecker die Beobachtung von Antihelium 4 Kerne gemeldet.

Bewahrung

Antimaterie kann in einem aus der gewöhnlichen Sache gemachten Behälter nicht versorgt werden, weil Antimaterie mit jeder Sache reagiert, die es berührt, sich und einen gleichen Betrag des Behälters vernichtend. Die Antimaterie in der Form von beladenen Partikeln kann durch eine Kombination von elektrischen und magnetischen Feldern in einem als eine Einpferchen-Falle bekannten Gerät enthalten werden. Dieses Gerät kann jedoch Antimaterie nicht enthalten, die aus unbeladenen Partikeln besteht, für die Atomfallen verwendet werden. Insbesondere solch eine Falle kann den Dipolmoment (elektrisch oder magnetisch) der gefangenen Partikeln verwenden. Am Hochvakuum können die Sache oder Antimaterie-Partikeln gefangen und mit der ein bisschen außerwiderhallenden Laserradiation mit einer mit dem Magnetzünder optischen Falle oder magnetischer Falle abgekühlt werden. Kleine Partikeln können auch mit der optischen Pinzette mit einem hoch eingestellten Laserbalken aufgehoben werden.

Kosten

Wissenschaftler behaupten, dass Antimaterie das kostspieligste Material ist, um zu machen. 2006 hat Gerald Smith eingeschätzt, dass $ 250 Millionen 10 Milligramme von Positronen (gleichwertig zu $ 25 Milliarden pro Gramm) erzeugen konnten; 1999 hat NASA einer Zahl von $ 62.5 Trillionen pro Gramm von Antiwasserstoff gegeben. Das ist, weil Produktion schwierig ist (nur sehr wenige Antiprotone werden in Reaktionen in Partikel-Gaspedalen erzeugt), und weil es höhere Nachfrage nach anderem Gebrauch von Partikel-Gaspedalen gibt. Gemäß CERN hat es einige hundert Millionen schweizerische Franc gekostet, um ungefähr 1 Milliardstel eines Gramms (der Betrag verwendet bis jetzt für Kollisionen der Partikel/Antiteilchens) zu erzeugen.

Mehreres Institut von NASA für Fortgeschrittene Konzeptgeförderte Studien erforscht, ob es möglich sein könnte, magnetische Schaufeln zu verwenden, um die Antimaterie zu sammeln, die natürlich im Riemen von Van Allen der Erde, und schließlich, den Riemen von Gasriesen wie Jupiter hoffentlich an niedrigeren Kosten pro Gramm vorkommt.

Gebrauch

Medizinisch

Reaktionen der Sache-Antimaterie haben praktische Anwendungen in der medizinischen Bildaufbereitung wie Positron-Emissionstomographie (PET). Im positiven Beta-Zerfall verliert ein nuclide positive Überschussanklage durch das Ausstrahlen eines Positrons (in demselben Ereignis, ein Proton wird ein Neutron, und ein Neutrino wird auch ausgestrahlt). Nuclides mit der positiven Überschussanklage werden in einem Zyklotron leicht gemacht und werden für den medizinischen Gebrauch weit erzeugt. Wie man auch gezeigt hat, haben Antiprotone innerhalb von Laborexperimenten das Potenzial gehabt, um bestimmte Krebse in einer ähnlichen Methode zu behandeln, die zurzeit für das Ion (Proton) Therapie verwendet ist.

Brennstoff

Die Knappheit der Antimaterie bedeutet, dass es für den Gebrauch als Brennstoff nicht sogleich verfügbar ist, obwohl es im katalysierten Kernpulsantrieb der Antimaterie für Raumanwendungen verwendet werden konnte.

Die Spekulation über die Antimaterie-Raketentechnik, wie die Rotverschiebungsrakete, schließt den Gebrauch der Antimaterie als Brennstoff für das interplanetarische Reisen oder vielleicht interstellare Reisen ein. Da die Energiedichte der Antimaterie gewaltig höher ist als dieser von herkömmlichen Brennstoffen, würde der Stoß, um Gleichung für solches Handwerk zu beschweren, viel besser sein als für das herkömmliche Raumfahrzeug.

In Kollisionen der Sache-Antimaterie, die auf Foton-Emission hinauslaufen, wird die komplette Rest-Masse der Partikeln zur kinetischen Energie umgewandelt. Die Energie pro Einheitsmasse ist ungefähr 10 Größenordnungen, die größer sind als typische chemische Energien und ungefähr 3 Größenordnungen, die größer sind als die potenzielle Kernenergie, die heute mit der Atomspaltung befreit werden kann (über pro Atomkern, der Atomspaltung, oder erlebt), und ungefähr 2 Größenordnungen, die größer sind als die bestmöglichen Ergebnisse, die von der Fusion (über für die Protonenproton-Kette) erwartet sind. Die Reaktion der Antimaterie mit der Sache würde (180 petajoules) der Energie (durch die Massenenergie-Gleichwertigkeitsformel, E = mc), oder die raue Entsprechung von 43 Megatonnen von TNT - ein bisschen weniger erzeugen als der Ertrag des Zaren Bomb, die größte thermonukleare jemals explodieren lassene Waffe.

Nicht ganze diese Energie kann durch jede realistische Antriebstechnik verwertet werden, weil, während Elektronpositron-Reaktionen auf Gammastrahl-Fotonen, in Reaktionen zwischen Protonen und Antiprotonen hinauslaufen, ihre Energie in relativistischen neutralen und beladenen pions umgewandelt wird. Während der neutrale Pions-Zerfall in energiereiche Fotonen, der beladene Pions-Zerfall in eine Kombination von neutrinos (ungefähr 22 % der Energie des beladenen pions tragend), und nicht stabil muons beladen haben (ungefähr 78 % der beladenen pion Energie tragend) mit dem muons, der dann in eine Kombination von Elektronen, Positronen und neutrinos verfällt (vgl muon Zerfall; die neutrinos von diesem Zerfall tragen über 2/3 der Energie des muons, bedeutend, der aus dem Original pions, den Gesamtbruchteil ihrer Energie beladen hat, die zu neutrinos durch einen Weg umgewandelt ist, oder ein anderer ungefähr 0.22 + (2/3) *0.78 = 0.74 sein würde). Gammastrahlung kann größtenteils absorbiert und in die Hitzeenergie umgewandelt werden, obwohl einige verpflichtet werden, verloren zu werden. Neutrinos wirken sehr selten mit jeder Form der Sache aufeinander, so für alle Absichten und Zwecke, wie man betrachten kann, wird die in neutrinos umgewandelte Energie verloren.

Militär

Wegen der hohen in Wechselwirkungen der Sache-Antimaterie veröffentlichten Energie könnte es militärische Anwendungen entweder als ein Explosivstoff oder im Auslösen von Kernfusionswaffen haben.

Siehe auch

Weiterführende Literatur

Links


Annales Schule / Casa Batlló
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