Будем ли мы когда-нибудь использовать антивещество для управления межгалактическим космическим кораблём?

Вопрос является провокационным, так как пока химические реакции освобождают лишь малую часть из несметной энергии, поглощённой веществом, и даже ядерные реакции приводят в действие только один процент из этого бесплатного источника энергии, антивещество обещает освободить то, что Фрэнк Клоуз назвал «полный mc², скрытый в веществе». Но допуская, что антивещество произведут в достаточно больших объёмах (что является нелёгкой задачей), большой проблемой является его хранение. Мы знаем, как сохранять антивещество в так называемых ловушках Пеннинга, используя электрические и магнитные поля для его удержания, но до сих пор мы говорим об исчезающе малых количествах вещества.

Более того, нельзя достаточно точно определить масштаб подобного хранилища. Ловушка антивещества требует, чтобы заряженные частицы помещались в малом объёме.

Чем больше вы помещаете антивещества в ней, тем ближе друг к другу частицы и нам известно, что электрически заряженные частицы с одинаковым знаком заряда отталкивают друг друга. Если продолжать помещать всё больше и больше частиц антивещества в контейнер, то становится всё труднее и труднее заставить их сосуществовать. Нам известно, как сохранять почти миллион антипротонов за один раз, но Клоуз указывает в своей книге «Антивещество» (издательство Оксфордского университета, 2010 год), что миллион антипротонов в миллиарды миллиардов раз меньше, чем необходимо, чтобы работать всего лишь с граммом антивещества.

Антиводород, кажется, предлагает выход, так как если можно будет создать подобный антиатом (и он был создан восемь лет назад в ЦЕРНе), электрические заряды позитронов и антипротонов уравновесят друг друга. Но в данный момент электрические поля, удерживающие антивещество, бесполезны, и для атомов антиводорода нейтральны. Антивещество, которое входит во взаимодействие с обычным веществом, аннигилирует, в каком бы состоянии не было антивещество, и нам нужно найти способы сохранять его в изолированном состоянии.

Новая антиводородная ловушка

Одно из решений для антиводорода изучается в ЦЕРНе в рамках международных усилий, известных как совместная работа по проекту «АЛЬФА», который опубликовал свои выводы в недавнем выпуске «Nature». В нём позитроны и антипротоны охлаждаются и удерживаются в отдельных частях того, что исследователи называют ловушкой с минимальным магнитным полем с помощью электрических и магнитных полей, до этого возбуждавшихся вместе с помощью колебательного электрического поля, создавая антиводород малой энергии. Несмотря на то, что антиатомы сохраняются на нижних энергетических уровнях, и они являются нейтральными по заряду, у них всё ещё есть магнитный момент, который может использоваться для их захвата и удержания. Рассказывает член группы «АЛЬФА», Джоель Фейдженс (колледж университета Беркли):

«Захват антиводорода в ловушку оказался гораздо более сложным, чем создание антиводорода. «АЛЬФА» повседневно производит тысячи атомов антиводорода в одну секунду, но большинство атомов являются слишком «горячими», обладая слишком высокой энергией, чтобы удержать их в ловушке. Мы должны быть счастливы, если  сможем поймать хотя бы один атом».

http://io9.com/#!5781358/are-we-ever-going-to-use-antimatter-to-drive-a-starship

Комментарий к рисунку: (по часовой стрелке с левого верхнего угла) поток антипротонов, зеркальные катушки, октуполь, поток позитронов, электроды, датчик аннигиляции

На изображении: антипротоны и позитроны входят в ловушку «АЛЬФА» с противоположных краёв и удерживаются электрическими и магнитными полями. Войдя вместе, они создают антиатомы, нейтральные по заряду, но с магнитным моментом. Если их мощность достаточно низкая, они смогут удерживаться октуполью и зеркальными полями ловушки с минимальным магнитным полем. Участники: Национальная лаборатория Лоренса Беркли.

Очевидно, что мы находимся лишь на самой ранней стадии этого исследования. Из 355 экспериментальных испытаний группы было отмечено 38 атомов антиводорода, которые удерживаются в ловушке в течение почти двух десятых секунды. Тысячи атомов антиводорода создаются в каждом из испытаний, но большинство из них оказываются обладающими слишком большой энергией и  ликвидируются при аннигиляции о стенки ловушки. В этом новом выпуске Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Фейдженс приводит информацию о ходе работ:

«Наш отчёт в «Nature» описывает первые успехи «АЛЬФЫ» в организации ловушки для атомов антиводорода, но мы постоянно улучшаем число атомов и продолжительность времени, в течение которого мы сможем их удерживать. Мы подбираемся близко к точке, в которой мы сможем выполнять некоторые классы экспериментов по атомам антивещества. Первые попытки будут лишь предварительными, но никто до этого не делал чего-либо похожего».

Приручение позитрона

Итак, мы делаем успехи, но это всего лишь медленное и бесконечное усердие. Некоторые дополнительные интересные новости пришли из университета Калифорнии в городе Сан-Диего, где физик Клиффорд Сурко создаёт нечто, что может оказаться самым большим контейнером антивещества в мире. Сурко работает не с антиводородом, а с позитронами, антиэлектронами, о существовании которых первым сделал предположение Поль Дирак приблизительно восемьдесят лет назад. Особенностью снова является замедление позитронов до нижних энергетических уровней и возможность их накапливать для хранения в «бутылке», которая удерживает их магнитным и электрическими полями, охлаждёнными до температур жидкого гелия, до точки, где их можно будет сжать до высокой плотности.

Одним из результатов является возможность создания пучков позитронов, которые можно использовать для изучения того, как античастицы взаимодействуют с обычным веществом. Сурко заинтересован в использовании подобных пучков для понимания свойств поверхностей материалов, и его команда активно изучает, что происходит, когда позитроны связываются обычным веществом. Как вы могли догадаться, подобная «связь» длится не больше, чем одна миллиардная секунды, но как говорит Сурко «вязкость» позитрона является важным аспектом химии вещества и антивещества». Новая ловушка в его лаборатории в Сан-Диего должна быть способна хранить более триллиона частиц антивещества одновременно. Разрешите снова его процитировать (из выпуска новостей колледжа университета Сан-Диего):

«Эти разработки дают возможность для многих новых исследований природы. Примеры включают в себя создание и изучение антиводорода, аналог антивещества водорода; изучение электронно-позитронной плазмы, аналогичной тем, которая, как полагают, присутствует в магнитных полях нейтронных звёзд, используя устройство, разрабатываемое в настоящее время в Колумбийском университете; и создание намного больших импульсов позитронов, которые в итоге позволят создать аннигиляционный гамма-лазер».

Интересной перспективной целью является создание портативных ловушек антивещества, которые позволят нам найти применение антивеществу в установках, непохожих на гигантское оборудование для научных исследований, в которых оно теперь создаётся. Роберт Форвард был восхищён «зеркальным веществом» и его значением для двигателя,  поэтому часто пишет по данной теме и редактирует информационный бюллетень по антивеществу, который он распространяет среди заинтересованных коллег.

Но он был хорошо осведомлён о проблемах создания и хранения, о тех вопросах, которые нам предстоит решить до того, как мы сможем думать об использовании антивещества, сохранённого в портативных ловушках для реальных комических полётов. Впереди предстоит ещё много упорной работы над основами.

Статья об антиводороде «Антиводород, пойманный в ловушку» опубликована Адресеном и др. в издании «Nature» 2 декабря 2010 года, стр. 673-676 (реферат). Клиффорд Сурко описал свою работу по позитронам на недавней встрече Американской ассоциации по развитию науки для лекции, названной «Приручение частицы Дирака».

Совещание, на котором он выступил, было названо подходящим образом: «Сквозь зеркало: недавние события с антивеществом».