Теорія Великого вибуху. Як антиматерія змінює правила гри у Всесвіті

Антиматерія давно захоплює вчених, наукових фантастів і Голлівуд. Ви, напевно, бачили фільм "Янголи і демони", де група релігійних фанатиків викрадає контейнер з антиматерією з наукового центру в Швейцарії, вбиває Папу Римського і загрожує підірвати Ватикан.

Але це просто кіно. У реальному ж житті, як стверджують науковці, для синтезу навіть грама цієї таємничої речовини потрібна вся енергія, яка виробляється на Землі протягом багатьох століть. 

Наразі вченим вдалось згенерували лише мільярдні частки грама антиматерії у CERN – унікальному центрі Європейської організації ядерних досліджень. Проте навіть така незначна частина антиматерії була достатньою для того, щоб створити передові медичні методи сканування, відомого як PET – позитронно-емісійна томографія.

І хоч наразі антиматерія оповита легендами і за містичністю її можна порівняти зі Святим Ґраалем, вона має потенціал зробити революцію у нашому розумінні Всесвіту та трансформувати численні галузі.

Це новий текст LIGA.net: розбираємо природу та потенціал антиматерії – разом із провідними фізиками CERN, університетів Орхуса, Берклі, Міннесоти, Каліфорнії, інституту Perimeter та Centre de Physique Théorique.

Що таке антиматерія і чому вона важлива

Основні будівельні блоки нашого Всесвіту у сфері фізики відомі як елементарні частинки. До цих частинок також належать електрони, протони та нейтрони, які разом утворюють атоми.

Земля, Сонце, вода та всі ми створені з матерії. Але як щодо антиматерії? Якщо говорити простими словами – це "двійник" звичайної матерії.

Сучасні фізики б’ються над тим, щоби хоч трохи відслонити завісу містики, якою оточена антиматерія. І поступ відбувається, але поволі.

Місяць тому, у вересні, міжнародна група фізиків у CERN змогла довести, що антиматерія так само підкорюється гравітаційній силі, як і матерія. 

Це відкриття стало результатом багатьох років роботи та підтвердило ключові погляди науковців на Всесвіт. Якби виявилося, що антиматерія від гравітації підіймається, це перевернуло б усі уявлення про світ.

Антиматерія складається з античастинок, які є практично протилежним відображенням матерії і мають низку протилежних характеристик.

Коли матерія та антиматерія стикаються, вони анігілюють одна одну. Водночас вони вибухають і вивільняють величезну кількість енергії у вигляді фотонів гамма-випромінювання, грубо кажучи – світла. 

Природу цього явища детальніше LIGA.net пояснив доктор Карло Ровеллі.

Карло Ровеллі – італійський фізик-теоретик. Він є почесним запрошеним дослідником в Інституті теоретичної фізики Perimeter (Канада).

Під час анігіляції 1 кг речовини (500 грамів антиматерії та 500 грамів матерії) може виділитись енергія близько 25 млрд кВт-год. Для порівняння, аналогічна кількість енергії виробляється в Україні за два місяці.

Саме процес анігіляції є тим ключовим компонентом, який робить антиматерію цікавою для науковців, оскільки це може стати високоефективним і компактним джерелом енергії.

Джерела антиматерії простежуються до Великого вибуху, який породив наш Всесвіт. Вважається, що в інтенсивному теплі та енергії раннього Всесвіту матерія та антиматерія були створені практично в однаковій кількості. 

Частинки та античастинки народжувалися парно. Між кількістю субатомних частинок та античастинок була дріб'язкова різниця – одна мільярдна. Тобто на мільярд кварк-антикваркових пар у Всесвіті був лише один зайвий кварк без пари.

Далі Всесвіт охолоджувався і розширювався, кварки та антикварки анігілювали, а один нескомпенсований кварк залишався. Він об’єднувався в протони та нейтрони, які й створили весь Всесвіт.

Зупиніться на цьому місці в тексті та задумайтесь. Запорукою існування всього нашого Всесвіту і нас самих був випадковий виняток – один безпарний кварк на мільярд пар кварк-антикварків. У більшості випадків вчені просто знехтували б такою похибкою.

От вам ефект метелика у концентрованому стані.

У 1967 році цю теорію обґрунтував радянський академік Андрій Сахаров, а у 1972 році японські вчені Макото Кобаясі та Тосіхіде Маскава зрозуміли, чому саме відрізняються частинки та античастинки. 

"Це питання, відоме як проблема асиметрії баріона, є одним із великих невирішених питань сучасної фізики та спонукає до експериментів, які вимірюють фундаментальні властивості антиматерії, щоб порівняти їх із точно відомими еквівалентними величинами у матерії", – каже LIGA.net доктор Даніель Ходжкінсон, член дослідницької групи ALPHA в CERN.

Несподівана різниця у цих властивостях може бути ключем до того, як наукові теорії, можливо, доведеться переглянути, – щоб пояснити Всесвіт, де домінує матерія, говорить доктор Даніель.

Великий адронний колайдер і сповільнювач

Один із початкових етапів створення антиматерії відбувається зокрема на всесвітньо відомому Великому адронному колайдері (LHC), який розташовано у CERN, на кордоні Швейцарії та Франції.

Саквін Ів працював над визначенням структурних функцій протона та нейтрона в CERN, виявляв космічні нейтрино (дуже малі субатомні частинки. – Ред.) на дні Середземного моря. Зараз він працює у проєкті GBAR, метою якого є виробництво ультрахолодних атомів антиводню для вимірювання впливу гравітації Землі на антиматерію.

Менший прискорювач, протонний синхротрон (PS), використовується для введення протонів у Великий адронний колайдер. Одночасно він використовується у виробництві антиматерії, зокрема антипротонів. Коли протони стикаються при надзвичайно високих енергіях, антипротони утворюються у великих кількостях.

Проте це тільки початковий етап антиматеріального синтезу. Далі, щоб створити антиматерію, потрібні не прискорювачі, а сповільнювачі. Там швидкість античастинок значно зменшують, і можна робити з них антиатоми. Це уможливлює дослідження їх властивостей.

Ці складові антиматерії використовують для різних наукових експериментів, сприяючи розумінню фундаментальних сил Всесвіту.

Зокрема, у CERN практично кожного дня створюють атоми антиводню, і це стало своєрідною робочою рутиною, як кажуть самі фізики.

Крім того, фізики синтезували деякі ядра антигелію. 

Антиводень та антигелій

Водень – найпростіший елемент у періодичній таблиці. Гелій – це другий найпростіший елемент після водню. Кожен атом складається з ядра і електронів, які навколо нього обертаються. 

Якщо ядро водню – це один-єдиний протон, то ядро гелію – це два протони і два нейтрони. Відповідно, ядро антигелію – це два антипротони і два антинейтрони. І ми не можемо просто окремо взяти ці частинки і зліпити їх докупи. По-перше, оперувати ними поштучно не можна, а по-друге, час їхнього життя дуже малий. 

Тому вчені банально чекають, поки потрібні частинки самі зберуться в необхідному порядку та утворять те, що треба. Ймовірність цього, як можна собі уявити – невелика, тому під час експериментів утворюється мізерна кількість ядер антигелію, які до того ж живуть недовго. 

"Антипротони спочатку утворюються шляхом пострілу протонів із протонного синхротрона (PS) CERN у мішень, – пояснює доктор Ходжінсон. - Деякі з продуктів цього зіткнення є антипротонами, які можуть бути сформовані в промінь і сповільнені в антипротонному сповільнювачі (AD) CERN. Позитрони отримують із радіоактивного джерела натрію та формуються у плазму за допомогою накопичувача".

Атомів антигелію досі не створено.

"Єдине, що було в моєму експерименті – це створення антиводню. Ми бачили трохи ядер антигелію, кілька разів у зіткненнях, але ми не можемо з ним працювати", – розповідає LIGA.net професор Джеффрі С. Хангст.

Проте атоми антиводню створювались доволі успішно, і фізикам навіть вдалося вивчити деякі їх характеристики. Для атома антиводню потрібні лише дві частинки, щоб антипротон зв’язався з позитроном.

"Для дослідження антиводневих атомів ми починаємо з антипротонної плазми та позитронної плазми. Ми з'єднуємо їх разом. Вони утворюють антигідрогенові атоми. Ми можемо отримати хмару приблизно з тисячі антиатомів одночасно всередині цього простору. І тоді ми можемо вивчати антиатомні властивості, освітлюючи лазером і дивлячись на спектри", – говорить LIGA.net професор Джоел Файанс.

Тож що саме ми можемо вивчати в антиатомах? Ми знаємо, що в античастинок протилежні значення електричних зарядів і деякі фізичні характеристики, а от маси, наприклад, однакові. 

А що ще в них однакове? Чи однаково на них діє сила тяжіння? Чи однаково вони поводяться в ідентичних початкових умовах?

Ці питання залишаються у фізиків відкритими. 

Ось це вивчення симетрії/асиметрії критично важливе, тому що в теорії вони мають бути симетричні, а на практиці із симетрією наш Всесвіт мав би самознищитися ще на початку існування. Тому виявляється такий парадокс, вирішення якого може пролити світло на фундаментальні фізичні закони та властивості речовини у самому її єстві.

Інвестиції в антиматерію

Розвиток технології антиматерії є дорогим і амбітним заходом. Вчені та організації в усьому світі інвестували значні ресурси в дослідження, інфраструктуру та експерименти, щоб використовувати її силу. 

Такі інституції, як CERN, відіграли ключову роль у просуванні нашого розуміння антиматерії та її потенційних можливостей.

Щоб збудувати тільки Великий адронний колайдер в CERN, треба було 20 років та 4,75 млрд доларів. Тепер щороку на його розвиток та досліди витрачається не менше мільярда. Сам CERN існує вже понад 70 років. 

На утримання CERN виділяють кошти 23 держави. Країни-члени CERN фінансують програму, трохи більше як 80% річного бюджету дають Німеччина, Велика Британія, Італія, Франція та Іспанія. Серед інших учасників – уряди Сполучених Штатів та Індії. 

До 2022 року Росія та її науковці брали участь у програмах і дослідницьких групах CERN, проте після початку російсько-української війни керівництво програми заборонило будь-яку співпрацю з РФ. 

У 2038 році CERN планує побудувати новий суперколайдер довжиною 100 кілометрів за 23 мільярди доларів. 

Уряд Німеччини у 2027 році планує почати будівництво антипротонної фабрики біля Франкфурта, каже LIGA.net доктор Нільс Басслер. 

"Нова фабрика має бути величезних розмірів, і очікується, що німці зможуть отримати у 100 разів яскравіші та інтенсивніші пучки антипротонів, ніж пучок антипротонів CERN", – розповів доктор Басслер.

Фінансові інвестиції у сферу антиматерії починаються від будівництва та експлуатації великих прискорювачів та сповільнювачів частинок і закінчуються розробкою методів стримування антиматерії. Точні цифри можуть відрізнятися, ресурси, виділені на дослідження антиматерії, вимірюються сотнями мільйонів доларів.

Розміри інвестицій в інші поодинокі дослідницькі проєкти визначити доволі важко, і це не дозволяє нам назвати це справді "ринком" антиматерії. Проте інвестиції у проєкти CERN доволі значні.

Це недвозначно свідчить про перспективність технології, адже Швейцарія не займається ризикованими активами.

Практичне застосування

Фізики не створюють антиматерію тільки для наукового куражу. Всьому цьому вже існує реальне застосування.

Так, позитрони застосовують для медичної візуалізації. Це наразі одна з найперспективніших сфер застосувань антиматерії. 

Позитронно-емісійна томографія (PET) використовує ізотопи, що випромінюють позитрони, для візуалізації та діагностики різноманітних захворювань, зокрема раку. 

Існує багато радіоізотопів, які розпадаються, вивільняючи позитрон. Найчастіше в медицині використовується фтор-18 (F18). Вчені приєднують F18 до глюкози, яку потім вводять пацієнтам. Усюди, де в організмі споживається глюкоза, також споживається F18-глюкоза. 

"Ракові пухлини споживають набагато більше глюкози, ніж нормальні клітини, тому багато F18-глюкози поглинається пухлинами. Коли F18 вивільняє позитрон у рак, він негайно зустрічає електрон і анігілює. Два фотони вивільняються та виявляються кільцем детекторів навколо пацієнта, підключених до комп’ютерної системи, яка обчислює походження події анігіляції", – пояснює LIGA.net доктор Кейсуке Стівен Івамото.

Доктор Кейсуке Івамото є професором радіаційної онкології Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі й автором 50 публікацій про застосування антиматерії в медицині.

У пухлині відбувається багато подібних анігіляцій, які використовуються для створення зображення стороннього утворення всередині тіла. Спеціальний апарат, який виконує весь цей процес, називається сканером PET (позитронно-емісійна томографія).

PET також можна використовувати, наприклад, у дослідженнях мозку. 

Мозок використовує глюкозу для отримання енергії більше, ніж інші органи в тілі, і її використання зростає разом з активністю – люди витрачають багато енергії, коли думають. 

Тому вчені можуть скласти карту мозку, щоб побачити, які частини активні під час різних думок чи емоцій. Під час дослідження деменції лікарі часто покладаються на PET-сканування. 

Крім сканування, вчені працюють безпосередньо над тим, як застосувати антиматерію для лікування раку. Так, один із тих, хто цим займається – доктор Нільс Басслер з університету Орхуса. 

Доктор Басслер пояснює LIGA.net, що лікування антипротонами може знищувати пухлину вдвічі ефективніше, ніж лікування раку найпродвинутішими наразі методами протонного впливу.

"Пухлину можна знищувати майже вдвічі ефективніше. Проте цього недостатньо, щоби побудувати установку, призначену для антипротонної радіаційної терапії. Це дуже дорого. Потрібна сума в межах 1 млрд доларів, щоб побудувати спеціальний антипротонний завод. Це удесятеро більше, ніж на звичайний протонний прискорювач", – каже він.

Доктор Басслер розказує, як науковці досліджували опромінення антиматерією живих клітин: "Науковці помістили клітини китайського хом’яка у гелевій матриці в маленьку трубку. Спочатку їх підготували в Маастрихті, потім в Орхусі поклали на лід і доставили до Женеви в CERN, далі поклали в опромінювач на кілька годин, а потім вивезли літаком до Орхуса. Все мало відбутися дуже швидко, тому що вони довго не живуть".

Попри значну ефективність, доктор сумнівається в тому, що у найближчі 10 років когось із пацієнтів лікуватимуть такими методами.

Ще одне перспективно-революційне застосування антиматерії – двигуни. Маючи достатньо палива антиматерії, ми могли б планувати подорожі за межі нашої Сонячної системи та досліджувати далекі галактики. 

Теоретично для цього було б достатньо грама антиматерії. Це можна легко обчислити за вже нам знайомою формулою Ейнштейна для вимірювання енергії: E=mc².

За розрахунками, один грам антиматерії може замінити близько 10 000 тонн ракетного палива. До того ж, наприклад, ракета Falcon 9 вміщає лише близько 400 тонн палива.

Поки що на антиматерії не літають, а шукають її у космосі. Цим, зокрема, займаються науковці на МКС та в NASA.

Так, ще у 2006 році група із 60 астрофізиків на чолі з професором П’єрджорджо Пікоца дала старт експерименту під назвою PAMELA.

Науковці запустили в космос супутник Resurs DK1, розроблений для вивчення заряджених частинок у космічному випромінюванні з особливим акцентом на античастинках. Цей супутник буквально нашпигований обладнанням для виявлення антиматерії у космосі. 

"Анігіляція електронів і позитронів дає гамма-промінь дуже визначеної енергії – 5,11 кеВ (кілоелектронвольт – одиниці енергії у квантовій механіці. – Ред.). Тому гамма-телескоп відстежує цей енергетичний діапазон, щоб побачити, чи десь є якась анігіляція. Вони бачать це зазвичай у акреційних зірках, або космічних променях, але це не світ антиматерії, це просто відбувається час від часу, тому ми не можемо побачити родовище антиматерії", – пояснює LIGA.net доктор Саквін Ів.

Однак наразі використовувати антиматерію для руху непросто – людство ще не володіє інструментарієм, який би дозволив згенерувати один грам антиматерії та утримав би її в стабільному стані.

"Кілька років тому фізики CERN оцінили загальну кількість антипротонів, створених з початку його роботи. І підрахували, що цієї енергії достатньо, щоб розігріти чашечку еспресо", – каже Ів. 

Однак спокусливі перспективи є потужним стимулом для продовження наукових досліджень і розробок у галузі антиматерії.

Антиматерію вже зараз використовують для визначення характеристик поверхонь матеріалів з високою точністю, що дуже важливо, наприклад, для кремнієвих пластин у напівпровідниковій промисловості.

Гіпотетично антиматерія може застосовуватись і як зброя. Чиста енергія, що вивільняється в результаті анігіляції матерії та антиматерії, у перспективі робить її грізним джерелом руйнування.

Проте без природнього родовища антиматерії цього зробити неможливо, переконує LIGA.net доктор Саквін Ів.

Крім того, антиматерію можна використовувати як джерело енергії.

Але і тут не все просто.

"Теоретично – так. На практиці – абсолютно ні. Антиматерія не є ресурсом, який можна видобувати. Його треба створювати, а робити це неймовірно дорого. Крім того, цей процес є неефективним. Для створення антиматерії потрібно набагато більше енергії, ніж можна отримати", – говорить професор Джоел Файанс LIGA.net.

Професор Файанс є викладачем університету Берклі та очолює дослідницьку групу Фаянса-Вюртеле з фізики плазми та антиводню.

В осяжному майбутньому складність масового виробництва антиматерії залишається величезною перешкодою для комерційних цілей. 

Про це LIGA.net більше розповідає доктор Михайло Шифман.

Поки що максимальний рекорд збереження антиматерії – це один рік. Цей рекорд поставила нещодавно команда японських фізиків в CERN. До цього максимальний рекорд складав 16 хвилин.   

Антиматерія має потенціал змінити історію людства, або принаймні експоненційно пришвидшити розвиток суспільства і технологій.

Проте, як і всюди в інших місцях, тут працює закон Парето, який свідчить, що 20% зусиль дають 80% результату, тоді як 80% решти зусиль дають лише 20% до результату.