Пожалуйста, водите осторожно: ученые впервые планируют транспортировать летучую антиматерию | ЦЕРН

ВтКогда грузовик отъезжает от здания в ЦЕРНевропейской лаборатории физики элементарных частиц недалеко от Женевы, все внимание будет приковано к ее драгоценному грузу, устройству массой в одну тонну, содержащему одни из самых экзотических материалов на Земле.

20-минутный испытательный пробег по кампусу, запланированный на конец этого месяца, ознаменует первую в мире попытку транспортировать антивещество, вещество настолько хрупкое, что, когда оно встречается с нормальной материей, оба поглощаются в результате выброса чистой энергии.

Чтобы достичь этого момента, потребовались годы. Но если испытание пройдет успешно (то есть грузовик вернется с антивеществом в целости и сохранности), это откроет Церну возможность транспортировать материал в другие лаборатории. На этих объектах исследователи будут проводить точные измерения в надежде узнать, почему наша Вселенная построена из материи, а не из этих причудливых зеркальных частиц.

“Основной вопрос, который мы хотим понять, заключается в том, откуда взялась материя. И затем, если вы знаете об антиматерии, естественно спросить, почему ее здесь нет? Процесс не понятен, и мы ищем подсказки относительно того, почему это произошло”, – говорит доктор Кристиан Сморра, физик из эксперимента по барион-антибарионной симметрии (база) в ЦЕРН.

Антиматерия — название, подразумевающее почти идеологическую оппозицию основе нашего существования, горячо приветствуется в научной фантастике. В «Звездном пути» он питает «Энтерпрайз». варп-двигатель и фотонные торпеды. У Дэна Брауна Ангелы и ДемоныКанистра, содержащая четверть грамма антиматерии, украдена у ЦЕРН в рамках заговора с целью взорвать Ватикан.

Реальность успокаивающе обыденна. Излучатели антивещества легко доступны в супермаркетах в виде бананов, которые испускают античастицы в результате радиоактивного распада калия. К сожалению, они имеют ограниченную ценность для понимания Вселенной. Устройство на грузовике ЦЕРН будет перевозить около 1000 частиц антивещества весом около одной миллиардной триллионной доли грамма. Если сдерживание выйдет из строя и антивещество вступит в контакт с обычной материей, возникающий в результате импульс энергии будет настолько слабым, что грузу даже не будет присвоен ярлык радиоактивности.

Антивещество было впервые предсказано в 1928 году, когда физик Поль Дирак женился на квантовой теории, описывающей поведение субатомных частиц, на специальной теории относительности и теории пространства и времени Эйнштейна. Эта работа принесла Дираку Нобелевскую премию и описала вселенную, в которой каждой частице соответствует античастица, идентичная, но противоположно заряженная.

Первое антивещество было обнаружено четыре года спустя. Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института заметил то, что оказалось антиэлектроном или позитроном, прорывающимся сквозь прибор, улавливавший потоки частиц, высвобождаемые космическими лучами. Он тоже получил Нобелевскую премию за свою работу.

С тех пор ученые подтвердили полный арсенал античастиц. Версии электронов, протонов и нейтронов из антивещества могут собираться в антиатомы и антимолекулы. В другой вселенной антипланеты могли бы нагреваться антисолнцами в мерцающих антигалактиках.

«Если бы мы все были созданы из антиматерии и жили во Вселенной, состоящей исключительно из антиматерии, мы бы не заметили никакой разницы», — говорит доктор Джек Девлин, научный сотрудник Королевского общества в Имперском колледже Лондона. «Что странно, так это то, что законы физики каким-то образом допускают существование этого вещества, которое, кажется, ведет себя так же, как обычная материя».

Согласно современным моделям Вселенной, в результате Большого взрыва было создано равное количество материи и антиматерии. Но что произошло дальше? Когда материя и антиматерия встречаются, частицы преобразуются непосредственно в энергию. Так почему же космос не является обширным пространством энергии?

«Кажется, мы оказались во Вселенной, которая полностью переполнена обычной материей и почти не содержит антиматерии, и в этом суть тайны», — говорит Девлин.

Тонкие различия в материи и антиматерии, которые уже появляютсякак ожидается, объяснят, как материя стала доминировать, но их раскрытие требует чрезвычайно точного сравнения свойств частиц. Также требуется надежная поставка материала.

Войдите в фабрику антиматерии ЦЕРН с соответствующим названием. Исследователи на объекте разбивают протоны высокой энергии, ядра атомов водорода, в плотную металлическую мишень, создавая потоки вторичных частиц. Среди них есть антипротоны, которые направляются в замедлитель, замедляются и в конечном итоге захватываются ловушкой антивещества.

Но хотя фабрика и может производить антиматерию, это не лучшее место для точных измерений. Замедлитель, замедляющий антипротоны примерно до одной десятой скорости света, использует мощные поля, которые делают невозможным проведение чувствительных измерений поблизости. По словам исследователей, другие лаборатории могли бы измерить антиматерию с в 100 раз большей точностью.

С целью проведения подобных экспериментов Сморра и его коллега Стефан Ульмер создают устройство для получения антипротонов в Университете Генриха Гейне в Дюссельдорфе. Чтобы пережить путешествие из ЦЕРН, антивещество необходимо будет удерживать более 10 часов: два на загрузку и разгрузку ловушки, а остальные на 500-мильную поездку.

Сама ловушка — это инженерный подвиг. Он должен удерживать антивещество таким образом, чтобы оно никогда не вступало в контакт с обычной материей. Для этого в камере поддерживается сверхвысокий вакуум, сравнимый с пустотой межзвездного пространства. Он охлаждается до -269°C, в результате чего любой посторонний газ замерзает на стенках камеры. Затем используются сильные магнитные и электрические поля, чтобы удерживать антипротоны в центре криогенной камеры.

Поля достаточно сильны, чтобы удерживать антиматерию на месте, если грузовик наткнется на неровности или резко затормозит во время пути. Возможно, наибольшая угроза для материала — это застревание в пробке и выход из строя источника питания. Во время испытательного запуска в ЦЕРН ловушка будет питаться от батарей, которых хватит примерно на четыре часа. Для длительных поездок потребуется специальный генератор на борту.

«Если мы когда-нибудь захотим провести эксперименты с антипротонами где-нибудь еще, нам нужно будет реализовать это, и именно это мы и пытаемся сделать», — говорит Сморра. «Прежде всего, мы должны показать, что можем перемещать антиматерию, и это для нас большая веха».