На исследовательском ядерном реакторе ТПУ получен источник антиматерии

Ученые Томского политехнического университета получили источник антиматерии. В ходе эксперимента на исследовательском ядерном реакторе вуза научным коллективом ТПУ синтезирован источник античастиц — позитронов — изотоп меди ⁶⁴Cu. В дальнейшем с использованием этого изотопа можно будет проводить испытания новых материалов для водородной энергетики.

Материя нашего мира состоит из различных частиц — электронов, протонов, нейтронов. Согласно Стандартной модели — теории в физике элементарных частиц, которая описывает элементарные частицы и взаимодействия между ними, — каждая частица имеет свою античастицу. Античастицы составляют антиматерию — антиатомы, антимолекулы. Существует гипотеза, что во Вселенной должны быть целые «антимиры», созданные из антиматерии, но они пока не обнаружены.

Частица и ее античастица очень похожи, имеют одинаковую массу, но также имеют ряд противоположных свойств. Например, электрический заряд у них всегда противоположный. Встречаясь друг с другом, частицы и античастицы взаимоуничтожаются, в результате чего любое вещество целиком становится энергией. Этот процесс называется аннигиляцией. После аннигиляции остаются только частицы света — фотоны (они и есть энергия). Может этот процесс идти и в обратном порядке — энергия может создать вещество — пару частица и античастица.

В нашем мире античастицы долго не живут, слишком высока вероятность встретить «свою» частицу и аннигилировать. Однако, рождение античастицы в нашем мире не редкость. Источником античастиц может служить, например, позитронный распад изотопов некоторых химических элементов.

Такой источник антиматерии ученые ТПУ получили из обычной меди. При бомбардировке нейтронами на реакторе за несколько минут изотоп обычной меди ⁶³Cu превращается в нестабильный изотоп ⁶⁴Cu.

Этот изотоп начинает испускать позитроны — античастицы электронов. Встречаясь, позитроны и электроны уничтожают друг друга — аннигилируют, оставляя после себя лишь несколько фотонов.

«Современной наукой пока до конца не изучены все возможности использования антиматерии. Однако 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», — рассказывает аспирант кафедры общей физики Физико-технического института ТПУ Юрий Бордулев.

Ученые кафедры общей физики ТПУ используют антиматерию, чтобы изучить материалы-накопители для водородной энергетики. Для этого применяется метод спектроскопии электрон-позитронной аннигиляции  (ЭПА-спектроскопии).

Водородная энергетика — активно развивающаяся альтернатива традиционным источникам энергии —  нефти и газу. Одной из нерешенных проблем в этой области является создание надежных «топливных баков» для водорода. В обычных баллонах водород хранить крайне опасно. В качестве решения ученые предлагают закачивать водород прямо в металлы или другие материалы.

«Однако при испытании таких накопителей водорода (это сплавы титана, железа, ванадия и так далее) происходит ухудшение их сорбционной (ред. — поглощающей) способности. Когда материал многократно насыщают водородом, в нем образуются так называемые «водород-индуцированные дефекты». Таким образом, емкость этих материалов-накопителей существенно снижается», — объясняет аспирант ТПУ.

Метод ЭПА-спектроскопии, разработанный в ТПУ,  не имеет аналогов. Он позволяет определять количество и типы таких дефектов.

Сейчас 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.

«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»,

— отмечает заведующий кафедрой общей физики ТПУ Андрей Лидер.