المادة المضادة

مادة مضادة
في فيزياء الجسيمات، المادة المضادة هي امتداد لمفهوم الجسيم المضاد للمادة، حيث تتكون المادة المضادة من جسيمات مضادة بنفس الطريقة التي تتكون منها المادة العادية من جزيئات. على سبيل المثال، الإلكترون المضاد (البوزيترون، هو إلكترون ذو شحنة موجبة) والبروتون المضاد (بروتون ذو الشحنة سالبة) يمكن أن يشكلوا ذرة مضاد الهيدروجين بنفس الطريقة التي يشكل بها الإلكترون والبروتون ذرة هيدروحين عادية. وعلاوة على ذلك، فإن خلط المادة مع المادة المضادة يؤدي إلى فناء كل منهما وبنفس الطريقة تفنى الجسيمات والجسيمات المضادة، مما يؤدي ظهور طاقة كبيرة من الفوتونات (أشعة جاما) أو غيرها من أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة.

هناك تكهنات كثيرة عن السبب في أن الكون المدرك يتكون بشكل كامل تقريبا من المادة، وما إذا كان توجد غيره من الأماكن تتكون بالكامل تقريبا من المادة المضادة، وماذ يحدث إذا تم استغلال المادة المضادة، ولكن في هذا الوقت يشكل عدم التماثل الواضح للمادة والمادة المضادة في الكون المرئي إحدى المشاكل الكبرى التي لم تحل في الفيزياء. العملية التي من تتطور من خلالها التماثل بين الجسيمات واللجسيمات المضاد تسمى التخليق الباريوني (بالإنجليزية: baryogenesis‏).

التدوينيوجد طريقة واحدة للدلالة على الجسيم المضاد وهي إضافة شريط (أو ماكرون) على رمز الجسيم. على سبيل المثال، البروتون والبروتون المضاد تتم كتابتهم p و,p على التوالي. وتنطبق نفس القاعدة إذا كنت تكتب الجسيمات بواسطة العناصر المكونة لها. فالبروتون يتكون من u u d كوارك، ولذلك فالبروتون المضاد يجب أن يكون يتكون من u u d كوارك مضاد. ويوجد عرف أخر وهو تمييز جزيئات بواسطة شحنتهم الكهربائية. وبالتالي، يتم الرمز للإلكترون والبوزيترون ب e− -- و+ e+ على التوالي.

[عدل] النشأة وعدم التماثلتقريبا كل شيء مدرك من الأرض يبدو أنه مكون من المادة بدلا من المادة المضادة. ويعتقد كثير من العلماء أن زيادة المادة عن المادة المضادة المعروفة باسم (عدم التماثل الباريوني) هي نتيجة لخلل في إنتاج جسيمات المادة والمادة المضادة في الكون في وقت مبكر، في عملية تسمى التخليق الباريوني. مقدار المادة التي يمكن ملاحظتها في الوقت الحاضر في هذا الكون يتطلب عدم توازن في الكون المبكر بموجب جسيم واحد من المادة مقابل مليار زوج من جسيمات المادة والمادة المضادة.[1]

يتم إنشاء المادة المضادة في كل مكان في الكون حيث تتصادم الجسيمات عالية الطاقة. الأشعة الكونية عالية الطاقة التي تؤثر في الغلاف الجوي للأرض (أو أي مادة أخرى في النظام الشمسي) تنتج كميات صغيرة من المادة المضادة ناتجة عن تدفق الجسيمات، والتي تفنى على الفور عن طريق احتكاكها بالمادة القريبة. وبالمثل فإنه قد يتم إنتاجها في مناطق مثل وسط مجرة درب التبانة ومجرات أخرى، حيث تحدث أحداث سماوية نشطة جدا (أساسا التفاعل بين التدفقات البلازما مع الوسائط بين النجوم). ووجود المادة المضادة الناتجة قابل للاكتشاف من خلال أشعة جاما التي تنتج عندما تفنى البوزيترونات مع المادة القريبة. ويشير التردد والطول الموجي لأشعة جاما إلى أن يحمل كل 511 كيلو الكترون فولت من الطاقة (أي بقية كتلة الإلكترون أو البوزيترون مضروبا في c2 2).

الملاحظات الأخيرة التي قامت بها وكالة الفضاء الأوروبية لأشعة جاما (مختبر الفيزياء الفلكية الدولي أشعة جاما) قد تفسر الأقمار الصناعية منشأ سحابة عملاقة من المادة المضادة المحيطة بمركز المجرة. الملاحظات تظهر ان السحابة غير متناظرة وتطابق نمط ثنائيات أشعة إكس، نظم النجم الثنائي وتحتوي على ثقوب سوداء أو نجوم نيوترونية، معظمها على جانب واحد من مركز المجرة. في حين أن هذه الآلية ليست مفهومة تماما، فمن المرجح أن تنطوي على إنتاج أزواج من الإلكترون والبوزيترون، والمادة العادية تحصل على طاقة هائلة أثنالء الوقوع في بقايا النجوم.[2][3]

وقد توجد المادة المضادة بكميات كبيرة نسبيا في مجرات بعيدة بسبب التضخم الكوني في الوقت البدائي للكون. وتحاول ناسا تحديد ما إذا كان هذا صحيحا بالبحث عن الأشعة السينية وأشعة جاما التي تشير الاحداث الفناء في اصطدام الكتل العظمى.[4]

[عدل] الإنتاج الصناعيتنتج أيضا الجزيئات المضادة في أي بيئة ذات درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية (يعني الطاقة للجسيمات أكبر من إنتاج زوج عتبة). خلال فترة التخليق الباريوني، عندما كان الكون شديد الحرارة وكثيف، كانت المادة والمادة المضادة تنتج وتباد باستمرار. وجود ما تبقى من المادة، وعدم وجود بقايا من مادة المضادة مكتشفة، [5] تسمى أيضا اللاتماثل الباريوني، يرجع إلى اختلال التماثل القطري المتعلق بالمادة والمادة المضادة. ولا تزال الآلية الدقيقة لهذا الاختلال أثناء التخليق الباريوني لغزا.

تنتج البوزترونات أيضا عن طريق بيتا المشعة + </ سوب> الاضمحلال، ولكن هذه الآلية يمكن أن تعتبر "طبيعية" وكذلك "مصطنعة".

[عدل] الهيدروجين المضادفي عام 1995 أعلنت سرن أنها نجحت في أنتاج تسع ذرات من الهيدروجين المضاد من خلال تنفيذ المكتب الإقليمي الفرعي / فيرميلاب مفهوم خلال تجربة PS210. وأجريت التجربة باستخدام حلقة البروتون المضاد ذو طاقة قليلة، وكانت بقيادة والتر أيليرت وماريو ماكري. وأكدت فيرميلاب نتائج سيرن من خلال إنتاج ما يقرب من 100 ذرة من الهيدروجين المضاد في مرافقها.

الذرات الهيدروجيم المضاد إنشاؤها أثناء PS210، والتجارب اللاحقة (في كل من سيرن وفيرميلاب) كانت نشطة للغاية ("الساخنة") ولم تكن مناسبة تماما للدراسة. لحل هذه العقبة، والتوصل إلى فهم أفضل للهيدروجين المضاد، تم تشكيل لهما التعاون في أواخر التسعينات - أثينا وATRAP. في عام 2005، حلت أثينا وبعض من أعضاء سابقين (مع آخرين) شكلت التعاون ألفا، وهي أيضا تقع في سيرن. الهدف الرئيسي لمثل هذه المنظمات هي من إنتاج هيدروجين مضاد أقل نشاطا ("بارد")، أكثر ملاءمة للدراسة.

في عام 1999 نشطت سرن مبطئ البروتون المضاد، وهو جهاز قادر على تباطؤ البروتون المضاد من 3.5 إلكترون فولت إلى 5.3 مليون إلكترون فولت، لا يزال "ساخنا" لإنتاج دراسة - الهيدروجين المضاد الفعال، ولكنها قفزة هائلة إلى الأمام.

أعلن مشروع أثينا في أواخر عام 2002 أنه قد أنشأ أول هيدرجين مضاد "بارد" في العالم. والبروتونات المضاد التي استخدمت في التجربة كانت تبرد بما فيه الكفاية بتباطؤهم (باستخدام مبطئ البروتون المضاد)، ويمر بها من خلال طبقة رقيقة من الورق، وأخيرا الاستيلاء عليهم في فخ الكتابة. ويخضع أيضا البروتون المضاد لتبريد عشوائي في عدة مراحل خلال العملية.

وكانت عملية تبريد البروتون المضاد لفريق أثينا في فعالة، ولكن لم تنجح بدرجة كبيرة. حوالي 25 مليون البروتون المضاد مغادرة التباطؤ البروتون المضاد ؛ ما يقرب من 10 ألف لجعله في فخ الكتابة.

في أوائل عام 2004 أصدر باحثون في أثينا بيانات عن طريقة جديدة لخلق الهيدروجين المضاد ذو طاقة منخفضة. والأسلوب الذي ينطوي على تباطؤ البروتون المضاد باستخدام التباطؤ البروتون المضاد، وحقنها في فخ الكتابة (الكتابة على وجه التحديد، مالمبيرغ فخ [بحاجة لمصدر] مرة المحاصرين في البروتون المضاد تمتزج الالكترونات التي تم تبريدها إلى إمكانات الطاقة أقل بكثير من البروتون المضاد ؛ الناتجة كولومب الاصطدامات تبريد البروتون المضاد الرغم من أن الاحترار الالكترونات حتى الجسيمات التوصل إلى توازن ما يقرب من 4 ك.

في حين أن البروتون المضاد يجري تبريدها في فخ الأولى، سحابة صغيرة من البلازما بوزيترون هو حقن فخ الثانية (في فخ الخلط). مثيرة للصدى في فخ الخلط بين مجالات الحبس ويمكن التحكم في درجة حرارة البلازما بوزيترون، ولكن هذا الإجراء هو الأكثر فعالية عندما البلازما هي في التوازن الحراري في فخ مع البيئة. وبوزيترون بلازما سحابة يتم إنشاؤها في المجمع بوزيترون قبل الحقن ؛ مصدر بوزيترون عادة الصوديوم المشعة.

مرة واحدة بما فيه الكفاية البروتون المضاد للتبريد، والبروتون المضاد - الإلكترون يتم نقل الخليط في فخ الخلط (الذي يحتوي على البوزيترون). وبالتالي يتم إزاله الالكترونات عن طريق سلسلة من النبضات السريعة في فخ الخلط في مجال كهربائي. عندما تصل إلى البروتون المضاد البلازما بوزيترون كولومب كذلك تحدث الاصطدامات، مما أدى إلى مزيد من التبريد من البروتون المضاد. عندما البوزيترونات والبروتون المضاد نهج التوازن الحراري ذرات الهيدروجين المضاد تبدأ بالتشكل. يجري متعادل الذرات الهيدروجين المضاد لا تتأثر بالفخ ويمكن ترك الحقول الحبس.

استخدام هذا الأسلوب، أثينا ويتوقع الباحثون أنها سوف تكون قادرة على خلق ما يصل إلى 100 ذرات الهيدروجين المضاد التنفيذية في الثانية الواحدة.

أثينا وATRAP يسعون الآن للمزيد من تبريد الذرات الهيدروجين المضاد بإخضاعها لحقل غير متجانس. بينما ذرات الهيدروجين المضاد محايدة كهربائيا، وتدور تنتج حظة المغناطيسي. هذه اللحظات المغناطيسي تختلف تبعا لاتجاه دوران للذرة، ويمكن أن تهرب من الحقول غير متجانسة بغض النظر عن شحنة كهربائية.

وأكبر عامل يحد في إنتاج المادة المضادة هو توافر البروتون المضاد. البيانات الصادرة حديثا عن سيرن تنص على أنه عندما يعمل بكامل طاقته مرافقها قادرة على إنتاج 10 7 البروتون المضاد في الثانية الواحدة. [بحاجة لمصدر] بافتراض أن التحويل الأمثل للالبروتون المضاد للالهيدروجين المضاد، ان الامر سيستغرق سنوات ملياري لإنتاج 1 غرام أو 1 الخلد من الهيدروجين المضاد (حوالي 6.02 × 10 23 ذرة من الهيدروجين المضاد). عاملا آخر يحد من المادة المضادة للإنتاج هو التخزين. كما ذكر أعلاه لا توجد طريقة معروفة لتخزين الهيدروجين المضاد بفعالية. المشروع أثينا قد تمكنت من الحفاظ على ذرات الهيدروجين المضاد من الفناء لعشرات ثانية—ما يكفي من الوقت لدراسة لفترة وجيزة في سلوكهم.

ذرات الهيدروجين هي أبسط الأشياء التي يمكن أن تعتبر "المسألة" بدلا من أن تكون جزيئات فقط.

في وقت واحد، ومحاصرة من البروتون المضاد الهيدروجين المضاد أفيد [6] والتبريد ويتحقق ؛ [7] هناك براءات الاختراع على طريقة لإنتاج الهيدروجين المضاد.[8]

[عدل] الهيليوم المضادهناك عدد صغير من أنوية النظير الهيليوم المضاد، تم إنشاؤها في تجارب اصطدام.[9]

[عدل] بوزيترون

بوزيترون تم الإبلاغ عن [10] في نوفمبر 2008 أنه قد تم إنشاؤها بواسطة مختبر لورنس ليفرمور الوطني في أعداد أكبر من أي عملية اصطناعية سابقة. والليزر قاد المتأينة الإلكترونات من خلال دائرة نصف قطرها ملليمتر الذهب الهدف النوى، والتي تسببت في الالكترونات واردة لينبعث من كمات الطاقة، التي اضمحلت في كل من المادة والمادة المضادة. بوزيترونات تم الكشف عن بمعدل أعلى وأكبر كثافة من أي وقت سبق الكشف عنها في المختبر.

التجارب السابقة قدمت كميات أقل من بوزيترونات باستخدام أشعة الليزر، وأهداف ورقة رقيقة، ولكن المحاكاة الجديدة اظهرت ان قصيرة جدا ومكثفة ليزر ملليمتر الذهب سميكة هي مصدر أكثر فعالية بكثير.[11]

[عدل] التخزينلا يمكن تخزين المادة المضادة في وعاء مصنوع من مادة عادية لأن المادة المضادة تتفاعل مع أي مادة تمسها، وتبيد نفسها والحاوية. تتكون المادة المضادة من جسيمات مشحونة يمكن احتواؤها من خلال مزيج من حقل كهربائي وحقل مغناطيسي في جهاز يعرف بفخ الكتابة Penning trap. وهذا الجهاز لا يمكن مع ذلك، احتواء المادة المضادة التي تتكون من جسيمات غير مشحونة، والتي تستخدم فيها الفخاخ الذرية. على وجه الخصوص، قد مثل في فخ استخدام حظة ثنائي القطب (الكهربائية أو المغناطيسية) من جسيمات المحاصرين ؛ في فراغ عالية، وهذه المسألة أو جسيمات المادة المضادة يمكن المحاصرين (تعليق) مع وتبرد قليلا خارج الإشعاع مدوية ليزر (انظر، على سبيل المثال، مغناطيسي بصري فخ وشرك المغناطيسي). الجزيئات الصغيرة يمكن أن تكون أيضا علقت فقط عن طريق الحزم الضوئية المكثفة في ملاقط بصرية.

[عدل] التكلفةتعتبر المادة المضادة أكثر المواد تكلفة في الوجود، بتكلفة تقدر ب25 مليار دولار للجرام الواحد من البوزيترون [12]، و 62.5 تريليون دولار للجرام الواحد من الهيروجين المضاد.[13] وذلك لأن الإنتاج أمر صعب (يتم أنتاج بروتونات مضادة قليلة فقط في ردود الفعل في معجل جسيمات)، ولأن هناك زيادة في الطلب على الاستخدامات الأخرى لمسرعات الجسيمات. وفقا لسيرن، قد تكلف بضع مئات من ملايين فرنك سويسري(/0 لإنتاج حوالي 1 على مليار من الجرام) الكمية المستخدمة حتى الآن لالجسيمات / اصطدام معاكس الجسيم). {1/}

تستكشف عدة دراسات لمعهد المفاهيم المتقدمة لناسا ما إذا كان قد يكون من الممكن استخدام المجارف المغناطيسية لجمع المادة المضادة التي تتكون بشكل طبيعي في حزام فان ألن للأرض، وبعد ذلك، أحزمة من الكواكب الغازية الضخمة مثل المشتري، وتأمل في انخفاض التكلفة للجرام الواحد.[14]

[عدل] الاستخدامات[عدل] الاستخدامات طبيةلتفاعلات المادة المضادة تطبيقات عملية في التصوير الطبي، مثل انبعاث بوزيترون المقطعي. في تحلل بيتا الإيجابي، وهو فقدان فائضنويدة للشحنة الايجابية عن طريق انبعاث البوزيترون (في الحدث ذاته، يصبح البروتون نيوترون، ونيوترينويوقف أيضا). وتصنع النويدات مع فائض الشحنة الموجبة بسهولة على نطاق واسع في السيكلوترون للاستخدام الطبي.

[عدل] الوقودتؤدي اصطدامات المادة المضادة إلى انبعاث الفوتون، وتحول الكتلة الساكنة الكاملة للجسيمات إلى طاقة حركية. والطاقة لكل وحدة كتلة (9 × 10 16 جول / كلغ) هي حوالي 10 أضعاف القيمة الأسية من الطاقة الكيميائية (بالمقارنة مع مادة تي ان تي في 4.2 × 10 6 جول / كلغ، وتشكيل من المياه على 1.56 × 10 7 جول / كغم)، حوالي 4 أوامر من حجم أكبر من الطاقة النووية التي يمكن أن تتحرر اليوم باستخدام الانشطار النووي (حوالي 40 مليون إلكترون فولت لكل 238 </ سوب> يو تحويل طبيعته لنواة الرصاص، أو 1.5 × 10 13 جول / كلغ)، وحوالي 2 أوامر من حجم أكبر من أفضل ما يمكن من الاندماج (حوالي 6.3 × 10 14 جول / كغم لسلسلة بروتون بروتون). رد الفعل من 1 كغ من المادة المضادة لل1 كيلوغرام من المواد ستنتج 1.8 × 10 17 ياء (180 بالبيتاجول) الطاقة (من جانب الشامل الطاقة التعادل صيغة ه = مولودية ²)، أو ما يعادلها الخام من 43 ميجا طن من مادة تي ان تي. وعلى سبيل المقارنة، كان تفجير قنبلة قيصر بومبا، أكبر النووية تم تفجيره، بلغت قدرها المحصول المقدر 50 ميجا طن، الأمر الذي يتطلب استخدام مئات الكيلوغرامات من المواد الانشطارية (اليورانيوم / البلوتونيوم).

لا يمكن استخدام كل هه الطاقة من قبل أي تكنولوجيا الدفع واقعية، لأن ما يصل إلى 50 ٪ من الطاقة المنتجة في التفاعلات بين النيوكلونات والنوكليونات المضادة يحمله النيترينو بعيدا في هذه التطبيقات، لذلك لجميع المقاصد والأغراض، يمكن اعتبارها فقدت.[15]

أفكار الصواريخ المادة المضادة، مثل الصواريخ الطيف الاحمر، تقترح استخدام المادة المضادة كوقود للسفر بين الكواكب أو ربما السفر بين النجوم. منذ كثافة الطاقة من المادة المضادة أعلى بكثير من الوقود التقليدي، والاتجاه إلى وزن المعادلة لهذه الحرفة ستكون مختلفة جدا عن المركبة الفضائية التقليدية.

ندرة المادة المضادة يعني أنها ليست متاحة بسهولة لاستخدامها كوقود، على الرغم من أنها يمكن أن تستخدم في المادة المضادة المحفزة النووية نبض الدفع اللازمة للتطبيقات الفضائية. توليد بروتون مضاد واحد هو صعبا للغاية ويتطلب مسرعات الجسيمات، وكميات هائلة من الطاقة ملايين المرات أكثر مما هو أفرج عنه بعد ذلك هو يباد مع المسألة عادية نظرا لأوجه القصور في هذه العملية. الأساليب المعروفة لإنتاج الطاقة من المادة المضادة تنتج أيضا قدرا مساويا للمادة طبيعية، وبالتالي فإن الحد النظري هو أن نصف الطاقة مدخلات يتم تحويلها إلى المادة المضادة. موازنا هذا، عندما تقضي المادة المضادة على المادة عادية، تساوي الطاقة ضعف كتلة المادة المضادة، حتى يتم تحرير تخزين الطاقة في شكل مادة مضادة يمكن (نظريا) أن تكون فعالة بنسبة 100 ٪.

لمزيد من التطبيقات العادية (الأرضية) ولكن (مثل النقل العادي، واستخدامها في مولدات الكهرباء المحمولة، وتشغيل المدن ،...)، مصطنع المادة المضادة ليست مناسبة، ناقل للطاقة على الرغم من كثافة عالية الطاقة، وذلك لأن عملية إنشاء ينطوي على المادة المضادة كمية كبيرة من الطاقة المهدورة وغير مجدي للغاية. وفقا لسيرن، لا يمكن إلا جزءا واحدا من عشرة مليارات دولار (10 -10) من الطاقة التي تستثمر في إنتاج جزيئات المادة المضادة يمكن استردادها في وقت لاحق.[16]

المادة المضادة الإنتاج حاليا محدودة جدا، ولكن قد تزايد في معدل يقرب هندسية منذ اكتشاف البروتون المضاد الأولى في عام 1955 من قبل وسيجري تشامبرلين. [بحاجة لمصدر] معدل الإنتاج الحالي للمادة المضادة هو بين 1 و 10 نانوجرام في السنة، وهذا هو المتوقع ان ترتفع إلى ما بين 3 و 30 نانوجرام في السنة بحلول عام 2015 أو عام 2020 مع منشآت جديدة فائقة التوصيل معجل خطي في سيرن وفيرميلاب. يدعي بعض الباحثين أنه مع التكنولوجيا الحالية، فإنه من الممكن الحصول على المادة المضادة ب25 مليون $ للجرام الواحد عن طريق الاستفادة المثلى من التصادم والمعلمات جمع (نظرا الحالية تكاليف توليد الكهرباء). المادة المضادة تكاليف الإنتاج، والإنتاج الشامل، وتكاد تكون مرتبطة في خطيا مع تكاليف الكهرباء، وحتى اقتصادية خالصة المادة المضادة تطبيقات الدفع من غير المرجح ان تأتي عبر الإنترنت من دون ظهور تكنولوجيات مثل الديوتيريوم - التريتيوم الانصهار السلطة (على افتراض أن مثل هذا الواقع من شأنه أن مصدر الطاقة يثبت أن تكون رخيصة). كثير من الخبراء، مع ذلك، خلاف هذه الادعاءات بأنها مفرطين في التفاؤل من قبل العديد من الطلبات من حيث الحجم. وهم يشيرون إلى أنه في عام 2004، والإنتاج السنوي من البروتون المضاد في سيرن كان picograms عدة بتكلفة قدرها 20 مليون دولار. وهذا يعني أن ينتج 1 غرام من المادة المضادة، من شأنه أن سيرن بحاجة إلى انفاق 100 دولار الكدريليون وتشغيل مصنع المادة المضادة لل100 مليار سنة. تخزين مشكلة أخرى، كما هي البروتون المضاد سلبا تهمة وصد ضد بعضها البعض، بحيث لا يمكن أن تتركز في حجم صغير. التذبذب البلازما في سحابة من البروتون المضاد تهمة يمكن أن يسبب عدم الاستقرار الذي البروتون المضاد طرد من فخ التخزين. لهذه الأسباب، حتى الآن سوى بضعة ملايين البروتون المضاد كان قد تم تخزينها في نفس الوقت في فخ المغناطيسي، وهو ما يعادل أقل بكثير من femtogram. الهيدروجين المضاد هي ذرات أو جزيئات محايدة من حيث المبدأ، حتى أنهم لا يعانون من مشاكل البلازما من البروتون المضاد الموصوفة أعلاه. لكن الهيدروجين المضاد البارد هو أصعب بكثير من إنتاج البروتون المضاد، وحتى الآن لم يتم صيد ذرة من الهيدروجين المضاد ذرة في مجال مغناطيسي.

قال أحد الباحثين في مختبرات سرن، التي تنتج المادة المضادة بانتظام :

If we could assemble all of the antimatter we've ever made at CERN and annihilate it with matter, we would have enough energy to light a single electric light bulb for a few minutes.[17]