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 جسيمات أولية ؛ جسيمات دون الذرية. على سبيل المثال، الإلكترون المضاد يسمى (بوزيترون، والبوزيترون هو إلكترون ذو شحنة موجبة؛ والبروتون المضاد (بروتون ذو الشحنة سالبة) يمكن أن يشكلوا سويا ذرة مضاد الهيدروجين بنفس الطريقة التي يشكل بها الإلكترون والبروتون ذرة هيدروجين عادية، فتكون نتيجة هذا الترابط هو "ذرة هيدروجين مضادة" . وعلاوة على ذلك، فإن خلط المادة مع المادة المضادة يؤدي إلى فناء كل منهما، يتحولان في الحال إلى طاقة. وبنفس الطريقة إذا اجتمع جسيم ونقيضه (الجسيم المضاد) فإنهما يفنيان بعضهما البعض ويتحولا على الفور إلى طاقة. الطاقة تكون كبيرة كي تتحول كتلتيهما إلى طاقة طبقا لنظرية أينشتاين ، بأن الكتلة والطاقة صورتان لشيء واحد ( (بالإنجليزية: E=mc²)‏ ) (تكافؤ كتلة-طاقة) ، أي يمكن تحويل المادة إلى طاقة ، كما يمكن تحويل الطاقة إلى مادة. وقد عاهدنا جسامة تحول المادة إلى طاقة في القنابل الذرية. يؤدي ظهور طاقة كبيرة من الفوتونات (أشعة غاما) الشديدة النفاذية و/أو غيرها من أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة. تؤدي تلك التحولات في حالة القنبلة الذرية إلى درجات حرارة مرتفعة جدا وضغط جوي شديد جدا ورياح عاتية ودمار وإشعاعات مميتة.

مادة مضادة

الإفناء

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، وحتى الآن لم يعثر العلماء على أماكن في الكون كلها من جسيمات مضادة. الماة المطادة نجدها في تفاعلات الأشعة الكونية ومنها عرفنا أن المادة لها مادة مضادة . قم استطاع العلماء أنتاج جسيمات مضادة في مجلات الجسيمات . ولكن هذا التحضير في المختبرات يستهلك طاقة هائلة ، بحيث لا نستطيع كسب مدود من الطاقة منها. في هذا الوقت يشكل التضاد الكبير بين المادة والمادة المضادة في الكون المرئي إحدى المشاكل الكبرى التي لم تحل في الفيزياء. العملية التي تتطور من خلالها التماثل بين الجسيمات والجسيمات المضادة تسمى التخليق الباريوني (بالإنجليزية: baryogenesis)‏.

التدوين

يوجد 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 آخر وهو تمييز جسيمات أولية بواسطة شحنتهم الكهربائية .وبالتالي، يعبر الرمز + e عن البوزيترون ، حيث أن الإلكترون له شحنة سالبة.

النشأة وعدم التماثل

تقريبا 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 نشأة الباريونات . مقدار المادة التي يمكن مشاهدتها في الوقت الحاضر في 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 تصادم الجسيمات ، وتفنى الجسيمات المضادة على الفور عبسبب احتكاكها بالمادة العادية . وبالمثل فإنه يتم إنتاجها في مناطق مثل وسط مجرة درب التبانة ومجرات أخرى، حيث تحدث أحداث سماوية نشطة جدا (أساسا التفاعل بين تدفقات البلازما مع الوسائط بين النجوم). ووجود المادة المضادة الناتجة قابل للاكتشاف من خلال أشعة غاما التي تنتج عندما تفنى البوزيترونات مع المادة القريبة. فنجد أن التردد و الطول الموجي لأشعة غاما يساوي 511 كيلو الكترون فولت وهي كمية الطاقة لكتلة الإلكترون الذي تحول إلى طاقة، أو كذلك بالنسبة إلى فناء البوزيترون. الطاقة = (كتلة الجسيم . مربع سرعة الضوء ).

المشاهدات الأخيرة التي قامت بها وكالة الفضاء الأوروبية لأشعة غاما (مختبر الفيزياء الفلكية الدولي أشعة غاما) قد تفسر الأقمار الصناعية منشأ سحابة عملاقة من المادة المضادة المحيطة بمركز المجرة. يظهر الرصد الفلكي سحابة 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 أثناء 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 غاما التي تشير الاحداث الفناء في اصطدام الكتل العظمى.[4]

الإنتاج الصناعي

يتم إنتاج أيضا الجزيئات المضادة في معجل جسيمات حيث تصتدم جسيمات أولية مثل الإلكترون و/أو البروتون بسرعات عالية بما فيها الكفاية (بمعنى أن طاقة الجسيمات تكون أكبر من إنتاج زوج من الجسيمات المرغوب تحضيرها. 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".

الهيدروجين المضاد

في عام 1995 أعلنت المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية 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 الهيدروجين 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 الأمر 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]

الهيليوم المضاد

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

بوزيترون

الإلكترون بوزيترون

تم الإبلاغ عن البوزيترون [10] في نوفمبر 2008 بأنه قد تم إنشاؤها بواسطة مختبر لورنس ليفرمور الوطني بأعداد أكبر من أي عملية اصطناعية سابقة. و تم الكشف عنها وصناعتها من خلال استعمال أشعة الليزر المتأينة، و ذلك بالاعتماد على الإلكترونات من خلال دائرة نصف قطرها ميليمتر من الذهب و الهدف كان معرفة محتوى النواة بعد إجراء التجربة على المستوى النووي للنواة أو النوى، والتي تسببت في انبعاث كمات من الطاقة التي تحملها الإلكترونات و التي اضمحلت وتحلمأت في كل من المادة والمادة المضادة . فالبوزيترونات إذن تم الكشف عنها بمعدل أعلى وبأكبر قيم عددية من أي وقت سبق وتم الكشف عنها في المختبرات العلمية.


التجارب السابقة قدمت كميات أقل من البوزيترونات باستخدام أشعة الليزر، بحيث أن المحاكاة الجديدة أظهرت أنها قصيرة جدا ومكثفة الليزر، وسمكها كان بمثابة مصدر ومنبع لفاعليتها وفعاليتها.[11]

التخزين

لا يمكن تخزين المادة المضادة في وعاء مصنوع من مادة عادية لأن المادة المضادة تتفاعل مع أي مادة تمسها، وتبيد نفسها بملامستها جدار الحاوية. 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.

التكلفة

تعتبر المادة المضادة أكثر المواد تكلفة في الوجود، بتكلفة تقدر ب25 مليار دولار للجرام الواحد من البوزيترون [12]، و62.5 تريليون دولار للجرام الواحد من الهيدروجين 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]

انظر أيضا

المراجع

  1. Sather, E. (1999). "The Mystery of the Matter Asymmetry" (PDF). Beam Line. 26 (1): 31. مؤرشف من الأصل (PDF) في 20 يوليو 2018. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  2. "Integral discovers the galaxy's antimatter cloud is lopsided". وكالة الفضاء الأوروبية. 9 January 2008. مؤرشف من الأصل في 13 نوفمبر 2012. اطلع عليه بتاريخ 24 مايو 2008. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  3. Weidenspointner, G. (2008). "An asymmetric distribution of positrons in the Galactic disk revealed by γ-rays". نيتشر (مجلة). 451: 159–162. doi:10.1038/nature06490. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  4. "Searching for Primordial Antimatter". ناسا. مؤرشف من الأصل في 10 أبريل 2016. اطلع عليه بتاريخ 01 نوفمبر 2008. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  5. "What's the Matter with Antimatter?". ناسا. 29 May 2000. مؤرشف من الأصل في 23 مارس 2010. اطلع عليه بتاريخ 24 مايو 2008. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  6. Gabrielse, G. (1999). "The ingredients of cold antihydrogen: Simultaneous confinement of antiprotons and positrons at 4 K". Physics Letters B. 455 (1–4): 311–315. doi:10.1016/S0370-2693(99)00453-0. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  7. Andresen, G. (2007). "Antimatter Plasmas in a Multipole Trap for Antihydrogen". Physical Review Letters. 98: 023402. doi:10.1103/PhysRevLett.98.023402. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  8. Arthur, H.E. (2000). "Process for the production of antihydrogen". مكتب الولايات المتحدة لبراءات الإختراع والعلامات التجارية. 6163587. مؤرشف من الأصل في 03 مارس 2016. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  9. Arsenescu, R. (2003). "Antihelium-3 production in lead-lead collisions at 158 A GeV/c". New Journal of Physics. 5: 1. doi:10.1088/1367-2630/5/1/301. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  10. "Billions of particles of anti-matter created in laboratory" (Press release). مختبر لورانس ليفرمور الوطني. 3 November 2008. مؤرشف من الأصل في 28 مايو 2010. اطلع عليه بتاريخ 19 نوفمبر 2008. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  11. "Laser creates billions of antimatter particles". Cosmos Magazine. 19 November 2008. مؤرشف من الأصل في 27 يوليو 2012. اطلع عليه بتاريخ 01 يوليو 2009. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  12. "New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions". ناسا. 2006. مؤرشف من الأصل في 27 أبريل 2019. اطلع عليه بتاريخ 28 سبتمبر 2009. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  13. "Reaching for the stars: Scientists examine using antimatter and fusion to propel future spacecraft". ناسا. 12 april 1999. مؤرشف من الأصل في 8 مارس 2010. اطلع عليه بتاريخ 21 أغسطس 2008. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة); تحقق من التاريخ في: |تاريخ= (مساعدة)
  14. Bickford, J. "Extraction of Antiparticles Concentrated in Planetary Magnetic Fields" (PDF). ناسا. مؤرشف من الأصل (PDF) في 27 يونيو 2018. اطلع عليه بتاريخ 24 مايو 2008. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  15. Borowski, S.K. (1987). "Comparison of Fusion/Antiproton Propulsion systems" (PDF). NASA Technical Memorandum 107030. ناسا. AIAA–87–1814. مؤرشف من الأصل (PDF) في 6 نوفمبر 2011. اطلع عليه بتاريخ 24 مايو 2008. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة)
  16. "Angels and Demons: Inefficiency of Antimatter". سيرن. 2004 [2008]. مؤرشف من الأصل في 16 فبراير 2014. اطلع عليه بتاريخ 24 مايو 2008. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة); تحقق من التاريخ في: |سنة= (مساعدة)
  17. "Angels and Demons: Do antimatter atoms exist?". سيرن. 2004 [2008]. مؤرشف من الأصل في 16 فبراير 2014. اطلع عليه بتاريخ 24 مايو 2008. الوسيط |CitationClass= تم تجاهله (مساعدة); تحقق من التاريخ في: |سنة= (مساعدة)

    لمزيد من المطالعة

    • جوردون فريزر، المادة المضادة، ومرآة في نهاية المطاف، ردمك 978-0521652520

    وصلات خارجية

    • بوابة الفيزياء
    • بوابة خيال علمي
    • بوابة رحلات فضائية
    • بوابة علم الفلك
    • بوابة علم الكون
    • بوابة ميكانيكا الكم
    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.