С.М.КОМАРОВ кандидат физико-математических наук
 Многолетние усилия одной из международных групп (коллабораций) ученых, работающих в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНа) увенчались успехом: им удалось получить холодные атомы антиводорода и сохранить их в ловушке в течение 130 миллисекунд. Это долго: до сих пор атомы антиводорода (а их получают с 1995 года, см. «Химию и жизнь», 2003, № 1) жили гораздо меньше. Когда ученые отладят методику и накопят много атомов антиводорода, они смогут провести тонкие эксперименты, связанные с фундаментальными свойствами нашей Вселенной. Возглавляет эту коллаборацию Джеффри Хангст из датского Орхуского университета.
«Да, Джеффри и его коллеги по эксперименту ALPHA достигли большого успеха, — поясняет член-корреспондент РАН Игорь Николаевич Мешков (Объединенный институт ядерных исследований, Дубна). — Получить холодные атомы антиводорода и удержать их в ловушке в течение длительного времени — огромный шаг вперед. Ведь атомы — совсем не то, что ядра, которые успешно получают вот уже более полувека. Они нейтральны, у них вокруг ядра (у антиводорода это антипротон) вращаются позитроны. Значит, можно исследовать свойства антивещества — химические, физические. Основное направление — изучение спектра антиводорода. Его нужно измерить с большой точностью, чтобы выяснить, существуют ли какие-то различия между антиводородом и водородом. Для такого исследования требуется получить не менее тысячи атомов, причем они должны быть очень холодными, то есть практически не двигаться. Иначе из-за эффекта Доплера в измерения будет вкрадываться неопределенность, которая способна скрыть искомый эффект. Джеффри и его коллеги хотят еще изучить и возможность антигравитации антивещества, но сегодня такой эксперимент на грани технических возможностей.
К сожалению, пока что хорошо охладить атомы антиводорода, а речь идет о температурах в доли кельвина, не удается. Дело в том, что основной метод, применяемый для получения сверххолодных атомов — использование лазерного излучения — с антиводородом не работает. Причина банальна: этот эффект основан на поглощении атомом света лазера, а для антиводорода нужны кванты слишком большой энергии. Для эффективного торможения его атома требуется ультрафиолетовый лазер, а таких лазеров достаточной мощности нет. Однако это технические трудности, которые конечно же будут так или иначе преодолены. Кстати, на водороде подобные эксперименты группа Т.В.Хэнша из Института Макса Планка в Гаршинге провела с фантастической точностью: энергия атомарного перехода между основным, 1S, и первым возбужденным, 2S, уровнями измерена с относительной точностью 1,8х10-14.
Что касается возможности работы с антигелием-3, ядра которого тоже давно научились получать, то этот путь вряд ли приведет к успеху, ведь вероятность рождения таких ядер гораздо меньше, чем вероятность получения антипротонов. А для изготовления атомов их требуется еще охладить, соединить с позитронами, снова охладить — на каждом этапе значительная часть антивещества теряется. Пока получают считанные атомы холодного антиводорода, об атомах антигелия не стоит говорить».
Краткая история антивещества
А теперь расскажем подробнее об экспериментах с атомами антиводорода.
История антивещества начинается с 30-х годов XX века. Сначала Поль Дирак получил уравнения, из которых следовало: у каждой частицы должна быть античастица. Потом, в 1932 году, американский физик Карл Андерсон открыл первую стабильную античастицу, позитрон, в космических лучах (за что получил Нобелевскую премию 1936 года). Затем позитроны обнаружили и в продуктах распада радиоактивных элементов: если число протонов в ядре какого-то изотопа оказывается слишком большим, то один из них превращается в нейтрон, а электрический заряд ядра снимается за счет вылета позитрона. Сейчас радиоактивные элементы и служат источниками позитронов.
Следующую стабильную античастицу пришлось ждать долго. Лишь в 1955 году, после того, как в Калифорнийском университете построили беватрон — ускоритель, способный разгонять протоны до 6,2 ГэВ, были получены антипротоны. Схема этого, а также всех последующих экспериментов с античастицами, такова: разогнанные протоны попадают в мишень и порождают ливень вторичных частиц. В сущности, они берутся «из ничего» — это воплотившаяся в вещество энергия протона (вспомним эйнштейновское Е=mc2). Поскольку частицы рождаются парами «частица-античастица», среди них были и протоны с антипротонами. Спустя год были открыты антинейтроны, а в 1965 году группа Леона Ледермана на Брукхэйвенском ускорителе получила антидейтроны. Для этого исходные протоны потребовалось разогнать уже до 30 ГэВ. Следующий успех выпал на долю советским физикам под руководством члена-корреспондента АН СССРЮ.Д.Прокошкина: в 1970 году на ускорителе в Протвино они зарегистрировали ядра антигелия-3, а спустя три года там же получили и ядра радиоактивного антитрития (при распаде он дает тот же самый антигелий-3). На этом период «бури и натиска» в деле создания антиматерии завершился: мечты продвинуться дальше и получить следующее ядро, антилегий-4, не сбылись. Всю эту историю по горячим следам описал В.В.Станцов своей знаменитой серии статей «Элемент №...» («Химия и жизнь», 1975, № 1).
Материя-антиматерия: различие или сходство?
Фабрики по производству антипротонов работали, античастицы стали использовать в медицине (позитронная томография, протонная хирургия), и в конце концов уровень ускорительной техники оказался достаточным для того, чтобы приступить к изготовлению настоящего антивещества — то есть присоединить к антиядру антиэлектроны и посмотреть, что будет. Посмотреть же интересно, во-первых, на спектры. Если окажется, что антиводород хоть слегка, но не похож на водород, то завеса тайны над проблемой дефицита антиматерии во Вселенной приоткроется. А во-вторых, антиматерия может оказаться «анти» во всех смыслах, то есть обладать еще и свойством антигравитации, отрицательной массой.
Над этой отрицательной массой сломано немало копий. Дело в том, что формально подставив отрицательную массу в законы Ньютона, можно получить парадоксальный результат. Закон тяготения ожидаемо превратится в закон отталкивания антимассы от массы, а вот с законами механики будет твориться нечто за пределами здравого смысла: сила, отталкивающая антимассу, станет ее, наоборот, притягивать. Но этот парадокс можно разрешить. Законы Ньютона держатся на принципе эквивалентности гравитационной массы (которая стоит в законе тяготения) и инерционной, присутствующей в законах механики. Однако этот принцип не считается доказанным — просто не найдено свидетельств его несправедливости. Гравитация же отличается от механики, поскольку, согласно общей теории относительности Эйнштейн, ее суть — деформация пространства-времени. В соответствии с принципами хорошо разработанной в физике твердого тела теории упругости, частицы, создающие деформации одного знака (в простейшем случае — всестороннего сжатия или расширения), притягиваются, а разного — отталкиваются. Свет, проходя рядом со звездой, отклоняется к ней, значит, масса создает деформацию сжатия. Тогда если антимасса создает деформацию растяжения (свет, проходя рядом с антизвездой, отклонится от нее), то антигравитация будет иметь место, а на механике это никак не скажется, ведь инерция с деформацией пространства никак не связана. Антигравитация антиматерии способна объяснить ее исчезновение в видимой части Вселенной — гравитационные силы попросту отпихнули ее подальше от материи. Очевидно, что в таком случае заметить знак массы у античастиц невозможно до тех пор, пока не измерен знак их взаимодействия с полем тяготения Земли. А это можно сделать только с нейтральными атомами — гораздо более мощные электрические и магнитные поля, действующие на заряженные частицы, скроют слабое влияние гравитации.
 Воодушевленные примерно такими соображениями, физики в девяностых годах XX века приступили к созданию антивещества. Первый успех пришел к ученым из ЦЕРНа — в 1995 году они получили первые девять атомов антиводорода. В 1997 году их американские коллеги из чикагской Лаборатории Энрико Ферми (Фермилаб) получили уже сотню антиатомов. Впрочем, в обоих экспериментах эти атомы летели со скоростью, близкой к скорости света, и проводить с ними тонкие эксперименты было невозможно. Тем временем в ЦЕРНе сломали старый ускоритель, и возникла пауза. Лишь в 2002 году опыты возобновились и были получены первые медленные атомы антиводорода. При этом производительность антиводородной фабрики выросла во много раз — до нескольких тысяч антиатомов в минуту. Однако использовать эти антиатомы для исследования тоже было нельзя: они очень быстро сталкивались со стенками ускорителя и аннигилировали. Нужна была хорошая ловушка, способная удержать антиатомы «подвешенными» в вакууме. И здесь есть серьезные трудности.
Ловушка для антиатомов
Вот как выглядит схема получения холодных антиатомов в ЦЕРНе. После того как быстрые протоны врезаются в мишень, они порождают множество частиц, в том числе протоны и антипротоны. С помощью магнитного поля отрицательно заряженные антипротоны переводят в Антипротонный замедлитель, — синхротрон, где они довольно долго вращаются в спадающем во времени магнитном поле и тормозятся в электрическом поле до энергии в 5,3 МэВ. При этом антипротоны приходится охлаждать, используя специальные методы. Первый из них - электронное охлаждение, был предложен и разработан Г.И.Будкером с учениками в Новосибирском институте ядерной физики в 60—70-х годах. Второй метод — стохастического охлаждения, предложенный несколько позднее будущим нобелевским лауреатом С. ван-дер-Меером, был создан в ЦЕРНе. Сегодня оба метода — признанное орудие формирования плотных пучков в ускорителях.
Из замедлителя каждые две минуты вылетает порция в 30 млн. антипротонов. Увы, они еще слишком горячи — такая энергия соответствует скорости в 10% от скорости света и температуре в миллионы градусов. Чтобы радикально затормозить антипротоны, их пропускают сквозь алюминиевую фольгу толщиной в треть миллиметра. При столкновении с атомами алюминия половина антипротонов аннигилирует, а другая половина пролетает насквозь, расходуя часть своей энергии на нагрев фольги. Примерно сто тысяч из них сбрасывает энергию в тысячи раз, до 0,2% от скорости света. Такие антипротоны уже можно поймать в электромагнитную ловушку Пеннинга — Малмберга. Как и все прочие подобные ловушки, она построена из катушек с электрическим током и электродов: созданные ими магнитные и электрические поля заворачивают заряженные частицы и не дают им лететь дальше. Очевидно, что энергия частиц должна быть достаточно маленькой, иначе полям ловушки с ними не справиться. Эта ловушка заполнена холодными электронами: сталкиваясь с ними, антипротоны охлаждаются дальше. После отделения электронов в ловушке остается несколько тысяч антипротонов с температурой 300—400 К.
А в соседней аналогичной ловушке накапливаются и охлаждаются позитроны, которые получаются при распаде натрия-22. Их температура оказывается 60—80 К. Затем стенку из полей между облаками обоих типов частиц снимают, эти облака сливаются, и начинается образование атомов антиводорода: антипротон захватывает позитрон, и тот, излучая энергию, постепенно достигает нижнего энергетического уровня, занимая основной уровень 1S в атоме антиводорода. Тут и возникает главная проблема охотников за антиматерией: атом-то становится электрически нейтральным и легко проходит сквозь электромагнитные стенки ловушки для заряженных частиц. Значит, нужно ставить снаружи еще одну ловушку, для нейтральных атомов. Собственно, ее созданием и занимались ученые после первых успехов 2002—2005 годов.
Вообще-то ловушки для нейтральных частиц стали известны не вчера. Принцип такой ловушки для нейтрона был предложен В.В.Владимирским еще в 1960 году. В ней магнитное поле сформировано так, что оно возрастает во всех направлениях от центра ловушки - так называемый «minimum В» (латинской буквой В в физике принято обозначать магнитное поле). Вскоре участники термоядерного проекта из Института атомной энергии им. И.В.Курчатова (ныне Курчатовский институт) во главе с М.С.Иоффе предложили конструкцию такой ловушки.
Не пойманные в ловушку атомы антиводорода аннигилируют на стенках камеры (фото: CERN)
Это цилиндр, на краях которого расположены две запирающие катушки с током, а вдоль его стенки проложены четыре проводника — «палки Иоффе», причем в соседних проводниках ток течет в противоположных направлениях. В центре цилиндра возникает минимум магнитного поля, а к стенкам вдоль оси оно нарастает. Хотя эту ловушку придумали для удержания плазмы, она подошла и для нейтральных атомов: у любого из них в магнитном поле возникает магнитный момент. В зависимости от его ориентации атом будет двигаться либо туда, где поле сильнее, либо в обратную сторону.
В 1983 году Дэвид Притчард из Массачусетского технологического университета предложил применить ловушку Иоффе для удерживания холодных атомов. Притчард известен не только своим участием в комиссии по изучению случаев похищения людей инопланетянами: его ученики Вольфганг Кеттерле и Эрик Корнелл получили Нобелевскую премию 2001 года по физике за работу со сверххолодными атомами и создание из них конденсата Бозе — Эйнштейна. Поэтому вопрос о том, как подвесить такие атомы в пространстве и не дать им соприкоснуться с горячей стенкой ловушки, был для него совсем не праздным. Для антивещества задача принципиально не отличается: ему тоже нельзя соприкасаться со стенкой, иначе произойдет аннигиляция.
Атомы антиводорода и можно собирать в ловушке Иоффе — Притчарда, где они повиснут, не касаясь стенок камеры. Главное условие — энергия атомов должна быть очень мала. Магнит с силой в 1 Тл удержит атомы водорода с температурой не выше 0,67 К. Поскольку сила самых мощных современных электромагнитов составляет несколько тесла, следует ожидать, что в такую ловушку попадут атомы антиводорода с температурой в 2—4 К. Магниты, которые сейчас применяют в экспериментах ЦЕРНа, удерживают атомы не горячее 1 К. Не исключено, что причина здесь не в цене более мощных магнитов, а в том, что ловушка Иоффе — Притчарда сильно портит конфигурацию полей в расположенной внутри нее ловушке для заряженных частиц.
При средней температуре получающихся антиатомов под двести Кельвинов очевидно, что лишь малая их толика сможет задержаться в ловушке, остальные же сразу после образования разлетятся и погибнут, столкнувшись со стенкой. И действительно, после объединения облаков позитронов и антипротонов на стенках ловушки фиксируют две-три тысячи актов аннигиляции атомов антиводорода. После окончания этой массовой аннигиляции можно было посмотреть, что же осталось в ловушке. Для этого ее открыли спустя 130 миллисекунд после образования антиатомов. Собравшийся в ней антиводород вылетел и, достигнув стенки, тоже аннигилировал. С высокой надежностью, отбросив все сомнительные сигналы (а они могли идти и от космических лучей, и от случайно сохранившихся антипротонов), участники эксперимента насчитали 38 случаев аннигиляции от пойманных в ловушку атомов. Немного, но начало положено.
Источник: inauka.ru.
Рейтинг публикации:
|
