Les objets de l'Univers - galaxies, étoiles, quasars, planètes, supernovae, animaux et humains - sont composés de matière. Il est formé de diverses particules élémentaires - quarks, leptons, bosons. Mais il s'est avéré qu'il existe des particules dans lesquelles une partie des caractéristiques coïncide complètement avec les paramètres des "originaux", et l'autre a les valeurs opposées. Cette propriété a incité les scientifiques à donner à l'agrégat de telles particules le nom général d '«antimatière».
Il est également devenu clair qu'étudier cette substance mystérieuse est beaucoup plus difficile que de s'enregistrer. Des antiparticules à l'état stable n'ont pas encore été rencontrées dans la nature. Le problème est que la matière et l'antimatière s'annihilent (s'annihilent mutuellement) au «contact». Il est tout à fait possible d'obtenir de l'antimatière dans les laboratoires, bien qu'il soit assez difficile de la contenir. Jusqu'à présent, les scientifiques n'ont pu le faire que pendant quelques minutes.
Selon la théorie, le Big Bang aurait dû produire le même nombre de particules et d'antiparticules. Mais si la matière et l'antimatière s'annihilent, alors elles auraient dû cesser d'exister en même temps. Pourquoi l'univers existe-t-il?
«Il y a plus de 60 ans, la théorie disait que toutes les propriétés des antiparticules coïncident avec les propriétés des particules ordinaires dans l'espace réfléchi par un miroir. Cependant, dans la première moitié des années 60, il a été découvert que dans certains processus, cette symétrie n'était pas satisfaite. Depuis, de nombreux modèles théoriques ont été créés, des dizaines d'expériences ont été menées pour expliquer ce phénomène. Maintenant, les théories les plus développées sont que la différence de quantité de matière et d'antimatière est associée à la soi-disant violation de la symétrie CP (des mots charge - "charge" et parité - "parité"). Mais personne ne sait encore une réponse fiable à la question de savoir pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière », explique Alexey Zhemchugov, professeur agrégé du Département des problèmes fondamentaux et appliqués de physique du micro-monde à l'Institut de physique et de technologie de Moscou.
L'histoire de l'antimatière a commencé avec l'équation du mouvement de l'électron, qui avait des solutions dans lesquelles il possédait une énergie négative. Puisque les scientifiques ne pouvaient pas imaginer la signification physique de l'énergie négative, ils ont "inventé" un électron avec une charge positive, l'appelant "positron".
Il est devenu la première antiparticule découverte expérimentalement. L'installation, enregistrant les rayons cosmiques, a montré que la trajectoire du mouvement de certaines particules dans un champ magnétique est similaire à la trajectoire d'un électron - seulement elles sont déviées dans la direction opposée. Ensuite, la paire méson-antiméson a été découverte, l'antiproton et l'antineutron ont été enregistrés, puis les scientifiques ont pu synthétiser l'antihydrogène et le noyau d'anthélium.
Trajectoires de mouvement d'un électron et d'un positron dans un champ magnétique / Illustration par RIA Novosti. Alina Polyanina
Que signifient tous ces «anti»? Nous utilisons généralement ce préfixe pour désigner le phénomène inverse. Quant à l'antimatière, elle peut inclure des analogues de particules élémentaires qui ont une charge opposée, un moment magnétique et d'autres caractéristiques. Bien entendu, toutes les propriétés d'une particule ne peuvent pas être inversées. Par exemple, la masse et la durée de vie doivent toujours rester positives, en se concentrant sur elles, les particules peuvent être attribuées à une catégorie (par exemple, les protons ou les neutrons).
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Si nous comparons un proton et un antiproton, alors certaines de leurs caractéristiques sont les mêmes: la masse des deux est de 938,2719 (98) mégaélectronvolt, spin ½ (le spin est appelé moment angulaire intrinsèque d'une particule, qui caractérise sa rotation, tandis que la particule elle-même est au repos). Mais la charge électrique du proton est de 1 et l'antiproton a moins 1, le nombre de baryons (il détermine le nombre de particules fortement interagissantes constituées de trois quarks) 1 et moins 1, respectivement.
Proton et antiproton / Illustration par RIA Novosti. Alina Polyanina
Certaines particules, comme le boson de Higgs et le photon, n'ont pas d'anti-analogues et sont appelées véritablement neutres.
La plupart des antiparticules, ainsi que les particules, apparaissent dans un processus appelé appariement. La formation d'une telle paire nécessite une énergie élevée, c'est-à-dire une vitesse énorme. Dans la nature, les antiparticules surviennent lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec l'atmosphère terrestre, à l'intérieur d'étoiles massives, à côté de pulsars et de noyaux galactiques actifs. Les scientifiques utilisent pour cela des collisionneurs-accélérateurs.
Section d'accélération du grand collisionneur de hadrons, où les particules sont accélérées / Photo: CERN
L'étude de l'antimatière a des applications pratiques. Le fait est que l'annihilation de la matière et de l'antimatière génère des photons de haute énergie. Disons que nous prenons une banque de protons et d'antiprotons et commençons à les relâcher progressivement l'un vers l'autre à travers un tube spécial, littéralement un à la fois. L'anéantissement d'un kilogramme d'antimatière libère la même quantité d'énergie que la combustion de 30 millions de barils de pétrole. Cent quarante nanogrammes d'antiprotons suffiraient amplement pour un vol vers Mars. Le hic, c'est qu'il faut encore plus d'énergie pour générer et retenir l'antimatière.
Cependant, l'antimatière est déjà utilisée dans la pratique, en médecine. La tomographie par émission de positrons est utilisée pour le diagnostic en oncologie, cardiologie et neurologie. La méthode est basée sur la livraison de matière en décomposition avec l'émission d'un positron vers un organe spécifique. Par exemple, une substance qui se lie bien aux cellules cancéreuses peut agir comme un moyen de transport. Dans la zone souhaitée, une concentration accrue d'isotopes radioactifs et, par conséquent, de positrons provenant de leur désintégration se forme. Les positrons s'annihilent immédiatement avec les électrons. Et nous pouvons tout à fait fixer le point d'annihilation en enregistrant les quanta gamma. Ainsi, à l'aide de la tomographie par émission de positons, il est possible de détecter une concentration accrue de la substance de transport à un certain endroit.