Внутри первой в мире службы доставки антивещества

Расположен в самом сердце Антиматерия ЦЕРН Фабрика, окруженная мощными магнитными полями и находящаяся в вакууме, более разреженном, чем межзвездное пространство, является одним из самых чувствительных материалов на Земле. Внутри ящика размером с картотеку, который весит на несколько сотен килограммов меньше, чем Ford Focus, находится горстка антипротонов, которые неделями находились в необычайной тишине. Большинству других частиц, образующихся в этом здании, можно было бы ожидать, что их будут исследовать и подталкивать, но у этих антипротонов есть только одна задача: сидеть сложа руки и ждать своего полета.

Эти сотни или около того частиц антивещества вскоре будут перевозиться в кузове грузовика по 4-километровой кольцевой дороге вокруг кампуса ЦЕРН, что станет первой демонстрацией будущей службы доставки антивещества, которая однажды увидит, как антивещество будет доставлено в лаборатории по всей Европе.

Я приехал в кампус ЦЕРН, недалеко от Женевы, Швейцария, чтобы увидеть эксперимент под названием «Испытания симметрии в экспериментах с портативными антипротонами» (STEP), в его последней подготовке перед важным днем, когда руководитель проекта Кристиан Сморра показывает мне объект. «Это новаторский шаг в науке об антивеществе», — говорит он. «Идея транспортировки антипротонов существовала, в принципе, с тех пор, как заработала эта установка, и теперь впервые стало возможным реально это сделать».

С 1920-х годов мы знали, что многие частицы имеют почти идентичные аналоги, за исключением противоположного заряда, называемого антивеществом. Но учёным потребовалось почти полвека, чтобы создать и сохранить простейшую антиматерию – антипротон – в значительных количествах из-за ее склонности к аннигиляции и исчезновению при встрече со своим материальным аналогом, многочисленным протоном.

Первые эксперименты по удержанию антипротонов были проведены в ЦЕРНе в 1980-х годах, где они были получены путем столкновения протонов с металлическими мишенями. Сегодня зал замедлителя антивещества ЦЕРН, известный как фабрика антивещества, является единственным местом в мире, где можно производить миллионы антипротонов по требованию и хранить их для дальнейшего изучения. Здесь проводятся семь различных экспериментов с антивеществом, включая эксперимент по симметрии барион-антибариона (BASE), частью которого является STEP.

Все эти эксперименты проверяют фундаментальные свойства антиматерии с предельной точностью, чтобы увидеть, как она может отклоняться от обычной материи. Любые различия могут пролить свет на то, почему мы, кажется, живем во Вселенной, где доминирует материя, с почти полным отсутствием антиматерии.

Но чтобы действительно достичь требуемой исключительной точности, необходимо отфильтровать шумное излучение, которое может помешать измерениям, что является проблемой для фабрики антиматерии. Когда антипротоны входят в зал, они движутся почти со скоростью света и должны замедляться с помощью мощных магнитных полей, которые невозможно полностью заблокировать.

В 2018 году Сморра и его команда поняли, что им придется переместить антивещество с завода в более тихое место, и разработали план побега. «Мы видели влияние флуктуаций магнитного поля, поэтому было ясно, что в конечном итоге нам придется продолжить наши точные измерения. [elsewhere]», — говорит Сморра.

Это была непростая задача. Для содержания антивещества обычно требуются мощные магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами, которые необходимо поддерживать на уровне, близком к абсолютному нулю, что требует огромного количества энергии. Сморра и его команда разработали STEP, в котором для охлаждения магнитов используется всего лишь 30-литровый резервуар с жидким гелием, поэтому вместо этого электроника может работать на простом дизельном генераторе. Однако в предстоящем тестовом запуске он будет использовать только энергию аккумулятора.

Магнит также должен быть спроектирован так, чтобы справляться с ускорениями при остановке и запуске, возникающими во время движения, а также специальной вакуумной системой, обеспечивающей поддержание отсутствия проблемной регулярной материи, пока антипротоны загружаются в ловушку и выгружаются из нее.

В 2024 году Сморра и его команда продемонстрировали, что STEP работает на регулярной основе протоны, разъезжая на грузовике по кампусу ЦЕРН. Теперь Сморра и его команда собираются попробовать что-то настоящее.

Подготовка до сих пор была относительно простой. Примерно за неделю до моего приезда около 100 антипротонов были замедлены и вошли в сложную систему вакуума и электромагнитных полей, которая их удерживает.

С тех пор они праздно сидят в центре переплетения проводов и трубок с жидким гелием. Сморра и его команда могут проверить жизненные показатели своей антиматерии с помощью небольшого экрана осциллографа, прикрепленного к машине, где характерная частота, с которой вибрируют антипротоны, принимает форму двух горбов. Над каждой вершиной они ласково прикрепили по два выпученных глаза.

Рано утром во вторник кран поднимет всю 850-килограммовую ловушку на кузов грузовика, которым управляет человек, прошедший специальную подготовку по управлению чувствительным оборудованием ЦЕРН, следя за тем, чтобы оно не ускорялось и не останавливалось слишком внезапно.

Затем грузовик совершит 4-километровый круг вокруг кампуса ЦЕРН и вернется на фабрику по производству антиматерии, где он стартовал.

Если их испытание пройдёт успешно, конечной целью Сморры и его команды станет поездка на своей капсуле с антиматерией по дорогам за пределами ЦЕРН, доставив её в лаборатории по всей Европе. Одна такая установка в настоящее время строится в Университете Генриха Гейне в Дюссельдорфе в Германии, где антивещество будет изучаться практически в отсутствие каких-либо внешних магнитных полей. Однако достижение этой цели может занять несколько лет, поскольку в июле ЦЕРН в основном закроется, чтобы модернизировать Большой адронный коллайдер для работы на более высоких мощностях. Это обновление не завершится до конца 2028 года.

Но как только служба доставки антивещества заработает, вы можете ехать по швейцарской или немецкой автомагистрали и оказаться рядом с грузовиком, полным антиматерии. Он будет выглядеть как обычный грузовик, но его содержимое будет совсем не обычным. Это может показаться тревожным утверждением, учитывая склонность антиматерии к аннигиляции при встрече с обычной материей, но людям не следует бояться, говорит Сморра.

«В транспортировке антиматерии нет ничего опасного, потому что количество, которое мы транспортируем, очень мало», — говорит Сморра. «Если вы перевезете 1000 антипротонов и он потеряется, вы этого даже не заметите».

Темы: