Comment voler vers Mars en un mois? Pour ce faire, vous devez donner un bon coup de pouce au vaisseau spatial. Hélas, le meilleur carburant disponible pour l'homme - le nucléaire donne une impulsion spécifique de 3000 secondes, et le vol s'étire sur plusieurs mois. N'y a-t-il pas quelque chose de plus énergique à portée de main? Théoriquement, il y a: fusion thermonucléaire; il fournit une impulsion de centaines de milliers de secondes, et l'utilisation d'antimatière fournira une impulsion de millions de secondes.
Les noyaux d'antimatière sont constitués d'antinucléons et la coque externe est constituée de positrons. En raison de l'invariance de l'interaction forte par rapport à la conjugaison de charge (invariance C), les antinoyaux ont le même spectre de masse et d'énergie que les noyaux, constitués des nucléons correspondants, et les atomes d'antimatière et de matière doivent avoir une structure et des propriétés chimiques identiques, avec un seul HO, la collision d'un objet, constitué de matière, avec un objet d'antimatière conduit à l'annihilation des particules et antiparticules incluses dans leur composition.
L'annihilation d'électrons et de positrons lents conduit à la formation de quanta gamma, et l'annihilation de nucléons et d'antinucléons lents conduit à la formation de plusieurs pi-mésons. À la suite de désintégrations ultérieures des mésons, un rayonnement gamma dur avec une énergie de quanta gamma de plus de 70 MeV se forme.
Les antiélectrons (positrons) ont été prédits par P. Dirac et ensuite découverts expérimentalement dans des «averses» par P. Anderson, qui ne connaissait même pas la prédiction de Dirac à ce moment-là. Cette découverte a reçu le prix Nobel de physique en 1936. L'antiproton a été découvert en 1955 au Bevatron de Berkeley, qui a également reçu le prix Nobel. En 1960, un antineutron y a été découvert. Avec la mise en service de l'accélérateur de Serpoukhov, nos physiciens ont également réussi à avancer d'une certaine manière - en 1969, des noyaux d'anthélium y ont été découverts. Mais les atomes d'antimatière n'ont pas pu être obtenus. Et pour être franc, pendant toute l'existence des accélérateurs, les antiparticules ont reçu des quantités insignifiantes - tous les antiprotons synthétisés au CERN en un an suffiront à faire fonctionner une ampoule pendant plusieurs secondes.
Le premier message sur la synthèse de neuf atomes d'antimatière - antihydrogène dans le cadre du projet ATRAP (CERN) est apparu en 1995. Ayant existé pendant environ 40 ns, ces atomes uniques sont morts, libérant la quantité de rayonnement prescrite (qui a été enregistrée). Les objectifs étaient clairs et justifiaient les efforts, les tâches étaient déterminées, et en 1997, près de Genève, grâce à l'aide financière internationale, le CERN a commencé la construction d'un dessélérateur (ne le traduisons pas par l'équivalent dissonant d '«inhibiteur»), qui permettait de ralentir («refroidir») les antiprotons de retour en dix millions de fois au cours de l'installation de 1995. Cet appareil, appelé Antiproton Moderator (AD), est entré en service en février 2002.
La configuration, après que les antiprotons aient quitté l'anneau de ralentissement, se compose de quatre parties principales: un piège pour piéger les antiprotons, un anneau de stockage de positons, un piège de mélange et un détecteur d'antihydrogène. Le flux d'antiprotons est d'abord décéléré par le rayonnement micro-ondes, puis refroidi à la suite d'un échange de chaleur avec un flux d'électrons de faible énergie, après quoi il tombe dans un piège - un mélangeur, où il est à une température de 15 K. Le dispositif de stockage de positrons ralentit, capte et accumule successivement les positrons d'une source radioactive; environ la moitié d'entre eux tombent dans un piège à mélange, où ils sont en outre refroidis par rayonnement synchrotron. Tout cela est nécessaire pour augmenter considérablement la probabilité de formation d'atomes d'antihydrogène.
Sur le "modérateur antiproton", une rude compétition a commencé entre deux groupes de scientifiques, participants aux expériences "ATHENA" (39 scientifiques de différents pays du monde) et "ATRAP".
Dans Nature 2002, vol. 419, p. 439, ibid p. 456) publié le 3 octobre 2002, l'expérience ATHENA affirmait avoir réussi à obtenir 50 000 atomes d'antimatière - antihydrogène. La présence d'atomes d'antimatière a été enregistrée au moment de leur annihilation, ce qui a été mis en évidence par l'intersection en un point des traces de deux quanta durs formés lors de l'annihilation électron-positon, et des traces de pions résultant de l'annihilation d'un antiproton et d'un proton. Le premier "portrait" de l'antimatière (photo au début) a été obtenu - une image informatique synthétisée à partir de tels points. Puisque seuls les atomes qui ont «glissé» hors du piège ont été annihilés (et il n'y en avait que 130 comptés de manière fiable), les 50 000 atomes d'antihydrogène déclarés ne créent qu'un arrière-plan invisible du «portrait».
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Le problème est que l'annihilation de l'antihydrogène a été enregistrée dans un contexte général et plus fort d'annihilation de positons et d'antiprotons. Ceci, naturellement, a provoqué un scepticisme sain parmi les collègues du projet concurrent ATRAP adjacent. Ils, à leur tour, ayant synthétisé de l'antihydrogène dans la même installation, ont pu enregistrer des atomes d'antihydrogène à l'aide de pièges magnétiques complexes sans aucun signal de fond. Les atomes d'antihydrogène formés dans l'expérience sont devenus électriquement neutres et, contrairement aux positrons et aux antiprotons, pouvaient quitter librement la région où les particules chargées étaient confinées. C'est là, sans antécédents, qu'ils ont été enregistrés.
On estime qu'environ 170 000 atomes d'antihydrogène se sont formés dans le piège, comme l'ont rapporté les chercheurs dans un article publié dans Physical Review Letters.
Et c'est déjà un succès. Or, la quantité d'antihydrogène reçue pourrait bien suffire à étudier ses propriétés. Pour les atomes d'antihydrogène, par exemple, il est proposé de mesurer la fréquence de la transition électronique 1s-2s (de l'état fondamental au premier état excité) par des méthodes de spectroscopie laser à haute résolution. (La fréquence de cette transition dans l'hydrogène est connue avec une précision de 1,8 · 10–14 - ce n'est pas pour rien que le maser à hydrogène est considéré comme un étalon de fréquence.) Selon la théorie, ils devraient être les mêmes que dans l'hydrogène ordinaire. Si, par exemple, le spectre d'absorption s'avère différent, vous devrez alors apporter des ajustements aux fondements fondamentaux de la physique moderne.
Mais l'intérêt pour l'antimatière - l'antimatière n'est en aucun cas purement théorique. Un moteur à antimatière peut fonctionner, par exemple, comme suit. Premièrement, deux nuages de plusieurs billions d'antiprotons sont créés, qui sont empêchés de toucher la matière par un piège électromagnétique. Ensuite, une particule de carburant de 42 nanogrammes est injectée entre eux. Il s'agit d'une capsule d'uranium-238 contenant un mélange de deutérium et d'hélium-3, ou de deutérium et de tritium.
Les antiprotons s'annihilent instantanément avec les noyaux d'uranium et les font se désintégrer en fragments. Ces fragments, ainsi que les quanta gamma qui en résultent, chauffent tellement l'intérieur de la capsule qu'une réaction thermonucléaire commence là. Ses produits, qui ont une énergie énorme, sont encore plus accélérés par le champ magnétique et s'échappent par la buse du moteur, fournissant au vaisseau spatial une poussée inouïe.
Quant au vol vers Mars dans un mois, les physiciens américains recommandent d'utiliser une autre technologie: la fission nucléaire catalysée par des antiprotons. Ensuite, l'ensemble du vol nécessitera 140 nanogrammes d'antiprotons, sans compter le carburant radioactif.
De nouvelles mesures effectuées au Stanford Research Center (Californie), où un accélérateur linéaire de particules est installé, ont permis aux scientifiques de progresser pour répondre à la question de savoir pourquoi la matière prévaut sur l'antimatière dans l'univers.
Les résultats de l'expérience confirment les hypothèses antérieures sur le développement d'un déséquilibre de ces entités opposées. Cependant, les scientifiques disent que les études menées ont posé plus de questions que de réponses: les expériences avec un accélérateur ne peuvent pas fournir une explication complète de la raison pour laquelle il y a tant de matière dans l'espace - des milliards de galaxies remplies d'étoiles et de planètes.
Les scientifiques travaillant avec l'accélérateur ont mesuré un paramètre connu sous le nom de sinus de deux bêta (0,74 plus ou moins 0,07). Cet indicateur reflète le degré d'asymétrie entre la matière et l'antimatière.
À la suite du Big Bang, la même quantité de matière et d'antimatière aurait dû se former, qui s'est ensuite annihilée et n'a laissé que de l'énergie. Cependant, l'univers que nous observons est une preuve incontestable de la victoire de la matière sur l'antimatière.
Pour comprendre comment cela pouvait arriver, les physiciens ont examiné un effet appelé violation de l'égalité de charge. Pour observer cet effet, les scientifiques ont étudié les mésons B et les anti-mésons B, des particules ayant une durée de vie très courte - des trillionièmes de seconde.
Les différences de comportement de ces particules absolument opposées montrent les différences entre la matière et l'antimatière et expliquent en partie pourquoi l'une prévaut sur l'autre. Les millions de mésons B et d'anti-mésons B nécessaires à l'expérience ont été formés à la suite de collisions dans l'accélérateur des faisceaux d'électrons et de positrons. Les premiers résultats, obtenus en 2001, montrent clairement une violation de l'égalité des charges pour les mésons B.
«C'était une découverte importante, mais il reste encore beaucoup de données à collecter pour valider le sinus de deux bêta en tant que constante fondamentale en physique quantique», a déclaré Stewart Smith de l'Université de Princeton. "Les nouveaux résultats ont été annoncés après trois ans de recherche intensive et d'analyse de 88 millions d'événements."
Les nouvelles mesures sont cohérentes avec le soi-disant «modèle standard», qui décrit les particules élémentaires et leurs interactions. Le degré confirmé de violation de l'égalité des charges ne suffit pas à lui seul à expliquer le déséquilibre de la matière et de l'antimatière dans l'univers.
"Apparemment, en plus de l'inégalité des charges, quelque chose d'autre s'est produit, qui a provoqué la prédominance de la matière transformée en étoiles, planètes et organismes vivants", a commenté Hassan Jawahery, membre du personnel de l'Université du Maryland. "À l'avenir, nous pourrons peut-être comprendre ces processus cachés et répondent à la question de savoir ce qui a amené l'univers à son état actuel et ce sera la découverte la plus passionnante."