Виктор де Касто - PRO Антиматерию

Позитронная эмиссия является естественной и обычной. Способность определенных видов ядер эмитировать позитроны стала очень полезна для медицины и техники. В качестве примеров можно назвать углерод-11, азот-13 и кислород-15, которые являются радиоактивными формами обычных элементов в теле и могут быть использованы вместе с позитронной эмиссией для отслеживания таких функций тела, как, например, работа головного мозга. Базовый принцип состоит в том, что, когда ядро испускает позитрон, а последний аннигилируется вместе с ближайшим электроном, два гамма-луча могут выйти практически «спина к спине». Эту пару можно обнаружить с использованием электронной схемы, разработанной в физике частиц, что позволяет очень точно обнаруживать эмитирующее ядро.

А теперь о применении. Когда вы думаете, различные участки вашего головного мозга активны в разной степени. Если участок активен, то он использует энергию, которая подается в головной мозг, как химические сахара в кровоток. Если мы сможем измерить концентрацию сахара в головном мозге, то это будет свидетельством активности мозга. Химики могут соединить радиоактивные атомы с молекулами сахара, и эти сахара можно проглотить и распределить внутри тела в активные участки, например сердце, легкие, мышцы и мозг. Суть идеи, которая оказалась такой полезной для диагностирования в медицине, состоит в использовании сахаров, которые эмитируют позитроны. Позитроны сразу же аннигилируются вездесущими электронами в близлежащих атомах. Мы можем сказать, где в пространстве произошла аннигиляция, а следовательно, где локализован сахар, просто используя специальные камеры для определения вылетающих гамма-лучей.

Окружив голову пациента кольцом из камер, можно получить изображения головного мозга с различных участков. Данная техника известна как позитронно-эмиссионная томография, ПЭТ. Это активно развивающийся диагностический и исследовательский метод ядерной медицины. В его основе лежит возможность при помощи специального распознающего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных излучающими позитроны радиоизотопами. Потенциал ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений – радиофармпрепаратов. Метод ПЭТ используется для изучения не только головного мозга, но и внутренних органов людей и животных. Подходящий радиофармпрепарат позволяет изучать с помощью ПЭТ такие разные процессы, как метаболизм, транспорт веществ, экспрессия генов и еще многое другое. Использование радиофармпрепаратов, относящихся к различным классам биологически активных соединений, делает ПЭТ достаточно универсальным инструментом современной медицины. Поэтому сейчас идет активная разработка новых радиофармпрепаратов и эффективных методов синтеза уже зарекомендовавших себя препаратов.

Определенные изотопы, которые представляют интерес для ученых и медиков, живут недолго (например, кислород-15, который используется для исследования кислородного метаболизма, живет всего две минуты). Поэтому их нужно готовить рядом с головой пациента. Их можно произвести, бомбардируя подходящие элементы протонами из маленького ускорителя.

Так что сегодня загадочное предсказание антиматерии Дираком используется для спасения жизней. Аннигиляция позитрона также используется для изучения материалов. Примером является аннигиляция в металлах, которая может выявить усталость металла гораздо быстрее, чем любая другая технология. Это используется для проверки турбинных лопаток в самолетах, в результате одновременно и лучше обеспечивается безопасность, и растет прибыль.

Ученые изучают химические свойства антиматерии, привязывая позитроны к обычным атомам. Электрон и протон формируют атомы водорода, поэтому электрон и позитрон могут формировать атом позитрония, который живет меньше одной миллионной доли секунды перед самоуничтожением. Молекулы позитрония уже были сформированы, идет обсуждение вопроса, могут ли плотные массы таких молекул сформировать основу лазера, работающего на гамма-лучах.

Так что античастицы в форме позитронов уже являются знакомыми и ежедневно используются. Они менее известны, чем электроны, просто потому, что их меньше, и поэтому их быстрее убивают. Как мы уже говорили выше, дневной свет – это конечный продукт позитронов, семена антиматерии, которые были произведены в солнечной печи сто тысяч лет назад, а свет для далекого будущего готовится позитронами, которые производятся прямо сейчас. Солнечный ядерный синтез эффективно превращает четыре протона в ядро гелия, плюс два позитрона и нейтрино. Позитроны аннигилируют для производства фотонов. Масса гелия меньше, чем сумма масс четырех протонов, а излишняя mc 2– это энергия, которая также появляется на поверхности в виде видимого света. Примерно 10 % видимого света возникло как аннигиляция позитронов.

Есть материя, например электрон, и есть антиматерия, например позитрон, а еще есть то, что не является ни материей, ни антиматерией. Самый известный пример последнего – электромагнитное излучение. Все электромагнитное излучение, от гамма-лучей до рентгеновских и от ультрафиолета до видимого света, инфракрасных лучей и радиоволн, состоит из фотонов с различной энергией. Материя и антиматерия могут уничтожить друг друга, а их аннигиляция оставляет не-вещество в форме фотонов. При соответствующих условиях эта последовательность может иметь место в обратном порядке, и фотоны превратятся в материю и антиматерию.

Чистая энергия, концепция, которую так любят ученые, в особенности говоря о естественных процессах, – это тоже не-вещество. Она может перейти из одной формы в другую, например быть электрической, химической или энергией движения, она может также превратиться в материю и антиматерию. Эйнштейн сказал нам, сколько вещества может конденсироваться из энергии, для этого есть формула E = mc 2. Минимальное количество энергии для производства электрона и позитрона – это 2 mc 2: одной порции mc 2достаточно для производства стационарного электрона, а второй – позитрона. После появления, если они созданы стационарными, они почти точно сразу же уничтожат друг друга и высвободят энергию, которая на мгновение была поймана в ловушку внутри них. Чтобы дать позитрону шанс на выживание, нужно иметь больше энергии, чем этот минимум; «излишек» становится кинетической энергией, движением, так что после рождения электрон и позитрон понесутся прочь и сбегут друг от друга.

Шатьендранат Бозе (1894–1974) – индийский физик, один из создателей квантовой статистики