Одна восьмая грамма антиматерии способна уничтожить Ватикан, согласно сюжету романа Дэна Брауна «Ангелы и Демоны» . Дерек Мюллер посетил фабрику антиматерии CERN, чтобы выяснить реальные масштабы производства и цели изучения этой субстанции . Ученые создают антивещество для поиска фундаментальных различий между материей и антиматерией, которые объяснят существование Вселенной .
🧪 Природа античастиц и уравнение Дирака 2:18
Поль Дирак в 1928 году объединил специальную теорию относительности с квантовой механикой . Его уравнение имело два решения для энергии покоя электрона: положительное и отрицательное . Дирак предположил существование антиэлектрона (позитрона) с той же массой, но противоположным зарядом .
Согласно квантовой теории поля, частицы являются возбуждениями квантовых полей . Античастицы представляют собой зеркальные возбуждения тех же полей с противоположными зарядами .
При встрече частицы и античастицы происходит аннигиляция:
- Масса полностью превращается в энергию согласно формуле $E = mc^2$ .
- Энергия переходит в фотонное поле .
- Процесс считается самым интенсивным во всей физике .
Большинство фундаментальных частиц имеют двойников, за исключением фотона и бозона Хиггса . Эти частицы являются античастицами для самих себя .
🌌 Загадка асимметрии Вселенной 6:11
Теория Большого взрыва предполагает, что в первые секунды существовало равное количество материи и антиматерии . Фотоны высокой энергии спонтанно превращались в пары частица-античастица и наоборот . Если бы баланс был идеальным, вся материя аннигилировала бы, оставив Вселенную заполненной только радиацией .
Астрономы не обнаружили в космосе границ между регионами из материи и антиматерии . Такие границы должны были светиться из-за постоянных вспышек аннигиляции . Это доказывает, что Вселенная состоит преимущественно из обычной материи .
Масштаб асимметрии оценивается через реликтовое излучение:
- В ранней Вселенной было около $10^{89}$ частиц и античастиц .
- На каждый миллиард пар приходилась одна лишняя частица материи .
- Из этих «выживших» частиц состоят все звезды, галактики и люди .
Физики пытаются найти причину этой разницы в $10^{-9}$ . Стандартная модель предсказывает асимметрию лишь на уровне $10^{-18}$ . Это расхождение в миллиард раз указывает на существование новой физики .
⚖️ Нарушение симметрий и эксперимент мадам Ву 12:36
До середины 1950-х годов ученые считали, что частицы подчиняются трем фундаментальным симметриям: зарядовой (C), четности (P) и обращению времени (T) . Цзяньсюн Ву в 1956 году проверила симметрию четности в слабых ядерных взаимодействиях . Она использовала изотоп кобальт-60, охлажденный и помещенный в магнитное поле .
Результаты эксперимента Ву:
- Электроны при распаде вылетали преимущественно в одну сторону относительно спина ядра .
- Около 60% электронов двигались против направления ядерного спина .
- Это доказало, что Вселенная различает «лево» и «право» на уровне фундаментальных частиц .
В 1973 году Кобаяси и Маскава нашли способ объяснить нарушения CP-симметрии в рамках Стандартной модели . Однако этого недостаточно для объяснения доминирования материи во Вселенной .
🏭 Производство антипротонов в CERN 23:11
Фабрика антиматерии в CERN генерирует около 40 миллионов антипротонов каждые две минуты . Протоны разгоняются до 99,93% скорости света в протонном синхротроне . Пучок направляют на мишень из иридия — одного из самых плотных элементов .
Механизм рождения антивещества:
- Энергия столкновения разрывает глюонные связи («резиновые ленты») внутри протонов .
- Всплеск энергии порождает каскад кварк-антикварковых пар .
- За $10^{-23}$ секунды формируются антипротоны из двух анти-up и одного анти-down кварка .
Стоимость производства антиматерии превышает $100 триллионов за грамм . Это самое дорогое вещество на Земле .
🧊 Охлаждение и ловушки Пеннинга 29:55
Антипротоны вылетают из мишени на скорости 96% от световой . Для экспериментов их необходимо замедлить в кольцах AD и ELENA . Установка ELENA снижает скорость частиц до 1,5% скорости света (около 16 млн км/ч) .
Для хранения используют ловушки Пеннинга:
- Вакуум внутри сравним с условиями глубокого космоса .
- Электроды создают электрические поля для удержания частиц с торцов трубки .
- Сверхпроводящие магниты удерживают заряженные частицы в центре, не давая им коснуться стенок .
Эксперимент BASE установил рекорд, удерживая антипротоны в такой ловушке в течение 614 дней . Это позволило измерить магнитный момент антипротона с высокой точностью .
🍏 Гравитация и создание антиводорода 34:04
Физики проверяют, как гравитация влияет на антиматерию . Заряженные антипротоны нельзя просто уронить, так как электромагнитные силы в триллионы раз сильнее гравитации . Поэтому ученые создают нейтральные атомы антиводорода .
Процесс создания в эксперименте GBAR:
- Электронный пучок бьет по вольфрамовой мишени, создавая пары электрон-позитрон .
- Позитроны замедляются через вольфрамовую сетку с эффективностью 1 на 1000 .
- Позитроны объединяются с электронами в позитроний (недолговечную систему из двух частиц) .
- Сквозь облако позитрония пропускают пучок антипротонов, которые «крадут» позитрон и становятся антиводородом .
Эксперимент ALPHA-g в 2023 году подтвердил: антиматерия падает вниз . Измеренное ускорение свободного падения составило 75% от земного с погрешностью около 20% . GBAR стремится достичь точности в 1% и выше, используя лазерное охлаждение ионов антиводорода до 10 микрокельвинов .
🚛 Портативная антиматерия и природные источники 52:32
В марте 2026 года ученые впервые транспортировали антиматерию за пределы фабрики . Ловушку весом 800 кг с 92 антипротонами провезли по 10-километровому кольцу вокруг CERN на грузовике . Это открывает возможность рассылать антивещество в другие исследовательские институты .
Антиматерия окружает человека в повседневной жизни:
- Один банан производит один позитрон примерно каждые 75 минут из-за распада калия-40 .
- Человеческое тело из-за естественной радиоактивности генерирует около 180 позитронов в час .
- Чтобы сравняться по мощности с фабрикой CERN, потребовался бы 1 миллиард бананов .
Общее количество антиматерии, произведенное в CERN за 25 лет, составляет около одной триллионной грамма . Этой энергии хватит лишь на то, чтобы нагреть 1 мл воды на 1 градус Цельсия .
