Антиматерия және оның Ғаламдағы Рөлі

Таңатқызы Альбина

Ғылыми жетекшісі Бркенова А.C., физика магистрі, физика және математика кафедрасының аға оқытушысы

Ш.Уәлиханов атындағы Көкшетау университеті, Көкшетау қ.

atanatkyzy@mail.ru

Антиматерия – қарапайым материяға қарама-қарсы қасиеттері бар бөлшектерден тұратын ерекше зат. Антиматерия бөлшектері материямен кездескенде, олар бір-бірін жойып, таза энергия бөледі. Бұл құбылыс жоғары энергиялы физика мен астрофизикада маңызды рөл атқарады. Бұл мақалада антиматерияның пайда болуы, қасиеттері, ғаламдағы орны және оны зерттеудің болашақ бағыттары қарастырылады.Антиматерия – қарапайым материяға қарама-қарсы қасиеттері бар бөлшектерден тұратын ерекше зат. Физиктердің пікірінше, Үлкен Жарылыс кезінде материя мен антиматерия тең мөлшерде пайда болған болуы мүмкін, бірақ қазіргі ғаламда антиматерияның аз болуы – үлкен ғылыми жұмбақ.
Антиматерия – физикадағы ең қызықты әрі жұмбақ құбылыстардың бірі. 1928 жылы Пол Дирак кванттық механика мен арнайы салыстырмалылық теориясын біріктіріп, оның нәтижесінде антиматерияның теориялық негіздемесін жасады. Кейінірек, 1932 жылы Карл Андерсон позитронды (электронның антиподын) ашты. Бұл антиматерияның нақты бар екенін дәлелдеді.

Қазіргі таңда антиматерияны зерттеу – жоғары энергиялы физика мен астрофизиканың басты бағыттарының бірі. Ол бізге ғаламның пайда болу құпиясын ашуға көмектесуі мүмкін.

1. Антиматерияның пайда болуы және негізгі қасиеттері

Антиматерия бөлшектері кәдімгі материяның антипартнерлері болып табылады. Олардың негізгі ерекшеліктері:Антибөлшектердің заряды қарама-қарсы болады (мысалы, электронның заряды – теріс, ал позитронның заряды – оң).

Антиматерия мен материя кездескенде анигиляция (жойылу) процесі жүреді, нәтижесінде үлкен мөлшерде энергия бөлінеді.

Антипротондар мен антинейтрондар да бар, олар протондар мен нейтрондарға қарама-қарсы.

Антиматерия үлкен жарылыстан (Big Bang) кейін бірдей мөлшерде пайда болған деп есептеледі, бірақ қазіргі ғаламда антиматерия өте сирек кездеседі. Бұл физиктер үшін үлкен жұмбақ болып отыр.

1.Антиматерия бөлшектері және олардың сипаттамалары
әрбір кәдімгі бөлшектің антипартнері болады. Олардың негізгі түрлері:
Позитрон:(e⁺)-электронның антиподы, оң зарядталған.
Антипротон:(p̅)-протонның антиподы, теріс зарядталған.
Антинейтрон:(n̅)-нейтронның антиподы, магниттік моменті қарама-қарсы.
Антиатомдар – антиматериядан тұратын атомдар (мысалы, антиводород (H̅), антигелий (He̅)).

Аннигиляция процесі:Материя мен антиматерия кездескенде, олар бірін-бірі жояды, бұл кезде таза энергия (γ-кванттар) бөлінеді. Бұл процесс ядролық реакцияларға қарағанда әлдеқайда тиімді энергия көзі бола алады.Антиатомдар мен антибөлшектердің нақты фотосуреттері жоқ, өйткені олар өте қысқа уақыт өмір сүреді және вакуумда арнайы жағдайларда ғана зерттеледі. Бірақ олардың ғылыми визуализациялары мен симуляциялары бар.

2.Антиматерияның ғаламдағы орны

Антиматерия ғаламда бірнеше жағдайда пайда болуы мүмкін:

Жоғары энергиялы бөлшектердің соқтығысуы (мысалы, Жер атмосферасына ғарыштық сәулелер түскен кезде).

Қара құрдымдардың айналасындағы экстремалды физикалық процестер.

Жасанды түрде, үдеткіштерде жасалған эксперименттер нәтижесінде (мысалы, CERN-де).

Қазіргі ғаламда антиматерияның материяға қарағанда әлдеқайда аз болу себебі белгісіз. Бұл мәселе барион асимметриясы деп аталады және ол әлі күнге дейін толық шешімін таппаған.

3. Антиматерия ғарышта үлкен рөл атқара алады:

1) Бариондық асимметрия проблемасы
Ғалымдар неге біздің ғалам тек материядан тұрады? деген сұраққа нақты жауап бере алмайды. Егер антиматерия бастапқыда көп болса, ол қайда кетті?
Гипотеза: Ғаламда антиматериядан тұратын үлкен құрылымдар болуы мүмкін (антигалактикалар). Бірақ қазіргі зерттеулер мұндай объектілерді таппады.

2) Антиматерия ғарыштық сәулелердеҒарыштық сәулелерде кейде антиматерия бөлшектері анықталады. Мысалы, AMS-02 детекторы Халықаралық ғарыш станциясында антигелийдің іздерін тапқан болуы мүмкін, бұл антиматерия көздерін анықтауға көмектеседі.
3) Қара құрдымдар мен антиматерия

Кейбір теориялар бойынша, қара құрдымдар антиматерия жасай алады немесе оларды антиматериядан тұратын объектілер қоршайды.

4.Антиматерияны зерттеу және болашақ қолданылуы

Антиматерияны зерттеу үшін физиктер жоғары энергиялы бөлшектер үдеткіштерін пайдаланады. Ең ірі зерттеу орталықтарының бірі – Еуропалық ядролық зерттеулер ұйымы (CERN). Мұнда антиматерияны сақтау және зерттеу үшін Антипротонды баяулатқыш (Antiproton Decelerator) қолданылады.

Болашақта антиматерия мынадай салаларда қолданылуы мүмкін:

Медициналық технологиялар – позитронды-эмиссиялық томография (PET-сканер).

Ғарыштық қозғалтқыштар – теориялық тұрғыдан, антиматерия қозғалтқыштары ең қуатты зымыран жүйелерінің бірі болуы мүмкін.

Энергетика – антиматерия энергия өндірудің болашақ балама көзі ретінде қарастырылады, бірақ оны сақтау үлкен мәселе болып отыр.

Позитронның ашылуы (1932) – Карл Андерсон

Эксперимент: Карл Андерсон ғарыштық сәулелерді зерттеу кезінде Вильсон камерасын пайдаланып, электронға қарама-қарсы зарядталған бөлшекті байқады.(491-494б)

Нәтиже: Бұл бөлшек позитрон (e⁺) болып шықты – антиматерияның ең алғашқы ашылған түрі.

Маңызы: Бұл эксперимент антиматерияның теориялық тұрғыдан ғана емес, табиғатта да бар екенін дәлелдеді.

5.Антиматерияны өндіру және сақтау мәселелері

1) Антиматерияны қалай өндіреді?

Қазіргі технологиялар антиматерияны тек үдеткіштер арқылы өндіруге мүмкіндік береді.

CERN (Еуропалық ядролық зерттеулер орталығы) – антипротондарды синтездеу және сақтау бойынша әлемдегі жетекші зертхана.
Fermilab (АҚШ) – антиматерияны жоғары энергиялы бөлшектер үдеткішімен зерттейтін орталық.

2) Антиматерияны сақтау қиындықтары

Антиматерия кәдімгі затпен жанасқанда аннигиляция болады. Сондықтан оны арнайы магниттік тұзақтарда (Penning trap) сақтайды.
Қазіргі қиындықтар:

1 грамм антиматерия жасау үшін 1 триллион доллардан артық қаржы қажет.

Сақтау үшін өте күрделі магниттік және вакуумдық жүйелер керек.

Қорытынды

Антиматерия – қазіргі заманғы физиканың ең күрделі және құпияға толы салаларының бірі. Оның ғаламдағы орны, пайда болуы және қазіргі кезде неліктен материя басым екендігі туралы сұрақтар әлі де толық шешілмеген. Антиматерияны зерттеу тек теориялық физика үшін ғана емес, сонымен қатар болашақ технологиялар үшін де өте маңызды.
Оның ашылуы мен эксперименттік зерттеулері бізді материя мен антиматерия арасындағы теңсіздік, ғарыштағы антиматерия мөлшері, кванттық физика заңдылықтары, және болашақта оны қолдану мүмкіндіктері сияқты маңызды сұрақтарға жақындатады.
Антиматерияны сақтау және басқару қазіргі технологиялар үшін үлкен қиындықтар туғызса да, оның медицинада (PET-сканерлеу), энергетикада (теориялық реакторлар), және ғарыштық зерттеулерде (болашақ зымыран қозғалтқыштары) қолданылу мүмкіндіктері зор.
Болашақта антиматерияның қасиеттерін тереңірек зерттеу жаңа физикалық заңдардың ашылуына, әлемнің құрылымын тереңірек түсінуге, және технологиялық серпілістерге жол ашуы мүмкін.

Әдебиеттер тізімі

1. Хокинг, С. (1988). Уақыттың қысқаша тарихы. Bantam Books. (4-бөлім, 112-120-беттер).

2. Дирак, П. А. М. (1930). Электронның кванттық теориясы. Proceedings of the Royal Society A, 126(801), 360-365. https://doi.org/10.1098/rspa.1930.0013

3. Андерсон, К. Д. (1932). Оң электрон. Physical Review, 43(6), 491-494.. https://doi.org/10.1103/PhysRev.43.491

4. CERN Физика бөлімі. (2020). Антиматерия зерттеулері мен қолданулары. Еуропалық Ядролық Зерттеу Ұйымы (CERN). (Ресми басылым, 25-34-беттер). https://home.cern/science/physics/antimatter

5. Шварц, М. (2014). Бәрінің теориясы: Ғаламдағы антиматерияны іздеу. Cambridge University Press. (6-бөлім, 215-230-беттер)