Невероятная материя

В Томском политехническом университете получили источник антиматерии

На исследовательском ядерном реакторе Томского политехнического университета ученые получили источник антиматерии. Подобного результата удалось добиться в результате бомбардировки нейтронами изотопа обычной меди 63Cu — в итоге исследователи получили нестабильный изотоп 64Cu. С помощью этого изотопа будут проводиться испытания новых материалов для водородной энергетики.

Вся материя мира состоит из электронов, протонов, нейтронов и более мелких частиц, которые принято называть элементарными. Согласно Стандартной модели, которая описывает всю физику за исключением новой, принято считать, что у каждой из этих частиц имеется античастица, например, антиатом или антимолекула. Более того, существуют гипотезы, которые гласят что во Вселенной должны существовать невидимые человеческому глазу «антимиры», целиком и полностью составленные из антиматерии.

Между частицей и античастицей существует целый ряд принципиальных различий, включая противоположный имеющемуся электрический заряд. При встрече этих частиц происходит их аннигиляция, позволяющая веществу превратиться в энергию в виде фотонов — частиц света. Существует и обратный процесс — превращение энергии в вещество.

При этом встретить античастицы в нашем мире крайне непросто. Дело в том, что вероятность встретить свою противоположность и аннигилировать слишком высока. Впрочем, производство античастиц на конвейер уже поставили ученые. Самый простой способ получить их — спровоцировать позитронный распад изотопов некоторых химических элементов.

Именно по этому пути и пошли исследователи из Томского политехнического, решившие получить источник антиматерии из обычной меди. Для этого им пришлось воспользоваться мощностями расположенного на территории ТПУ исследовательского ядерного реактора: ученые бомбардировали нейтронами изотоп 63Cu. В результате они получили нестабильный изотоп 64Cu.

Результатом любого подобного опыта становится испускание изотопом позитронов — античастиц электронов, которые при встрече с электронами уничтожают друг друга, оставляя после себя лишь фотоны.

Принимавший участие в эксперименте аспирант кафедры общей физики Физико-технического института ТПУ Юрий Бордулев рассказал, что современная наука пока не до конца изучила все возможности использования антиматерии. При этом ее источники уже активно используются в различных областях диагностики.

«В медицине, например, существует метод позитронной эмиссионной томографии для поиска раковых опухолей, а в материаловедении позитрон является мощным чувствительным инструментом для исследования дефектов различных материалов», — резюмировал Бордулев.

Впрочем, в ТПУ знали о том, как использовать антиматерию, еще до начала эксперимента по получению ее источника. Исследователи с кафедры общей физики намерены использовать антиматерию для изучения материалов-накопителей для водородной энергетики. В ходе этого они применят метод спектроскопии электрон-позитронной аннигиляции (ЭПА-спектроскопии).

Водородная энергетика была выбрана исследователями не случайно в силу того, что она является одной из наиболее динамично развивающихся альтернатив традиционным источникам энергии. Но для ее использования и внедрения имеется одно серьезное препятствие: отсутствие надежных «топливных баков» для водорода. Дело в том, что в обычных баллонах водород хранить крайне опасно, поэтому исследователи предлагают закачивать водород прямо в металлы или другие материалы.

По словам Юрия Бордулева, при испытании таких накопителей водорода (в частности, сплавов титана, железа, ванадия и других) происходит ухудшение их поглощающей способности.

«Когда материал многократно насыщают водородом, в нем образуются так называемые «водород-индуцированные дефекты». Таким образом, емкость этих материалов-накопителей существенно снижается», — добавил Бордулев.

При этом применяемый и разработанный в ТПУ метод ЭПА-спектроскопии не только не имеет аналогов, но и эффективным образом помогает определять количество и типы таких дефектов. На данный момент в качестве источников позитронов для ЭПА-спектроскопии применяются радиоактивные изотопы на основе солей натрия или титана. Однако их нельзя использовать в среде водорода, а также в условиях повышенных температур.

Заведующий кафедрой общей физики ТПУ Андрей Лидер уверен, что с получением нового источника антиматерии тренд изменится.

«Изотоп 64Cu позволит выявлять дефекты непосредственно в процессе сорбции водорода, устойчив к высоким температурам. Мы планируем объединить в одной экспериментальной установке газовый реактор наводороживания и электрон-позитронный спектрометр. Таким образом, уникальные данные по дефектообразованию в процессе наводороживания с использованием этого изотопа будут получены нами впервые в мире», — резюмировал Лидер.

Статья подготовлена при подержке пресс-службы Томского политехнического университета.