Антивещество вместо пива

Антивещество вместо пива

Корреспондент «Газеты.Ru» побывала на эксперименте ALPHA, где родилась сказка «Ангелы и демоны» Дэна Брауна, и разобралась, как ловят антиматерию

Зал эксперимента ALPHA

Фотография: CERN

Александра Борисова (Женева)

Эксперимент ALPHA, прославившийся умением поймать антиматерию в «ловушку», а еще раньше – самим фактом получения атомов антиматерии, — единственный в своем роде в мире. Как он работает и зачем это нужно, разобралась корреспондент «Газеты.Ru».

ALPHA — совсем небольшой эксперимент по меркам CERN. В нем заняты всего 40 человек, а его общая стоимость — всего пять миллионов долларов. Конечно, по сравнению с Большим адронным коллайдером это капля в море, но антиматерия – «горячая» для людей тема (не в последнюю очередь благодаря научной фантастике). Она будоражит умы, и людям интересно, чем занимается та же ALPHA. О ней много говорят, и CERN получает неплохую рекламу за счет маленького в общем-то проекта. С другой стороны, проект «маленький» только по меркам «меганауки»: зал установки, где корреспондент «Газеты.Ru» встретилась с руководителем единственного в своем роде эксперимента, профессором Университета Орхуса (Дания) Джеффри Хангстом, все-таки больше напоминал небольшой ангар, чем лабораторию.

В подвале размещен замедлитель частиц, над ним нескончаемые трубы и трубки установок, а посередине «центр управления полетами» — защищенная от радиации комната с управляющими компьютерами.

Само собой, когда пучок частиц подают эксперименту, прогуливаться там, где профессор Хангст показал мне свои установки, категорически запрещено и чрезвычайно опасно. Однако сейчас «экскурсии» разрешены, так как пучка нет. Людей в зале тоже мало: CERN закрывается на рождественские каникулы, все разъехались.

Антиматерия — своеобразное «отражение» материи. Позитрон подобен электрону, только имеет положительный заряд, антипротон подобен протону, но заряжен отрицательно. Правы фантасты и в том, что, когда антиматерия встречается с материей, обе исчезают — аннигилируют (в эквивалентном количестве) и выделяется большое количество энергии. Вот почему античастиц на Земле почти не существует, «ловят» их на орбите (этим занимается итальянский эксперимент PAMELA на борту российского спутника ДЗЗ «Ресурс-ДК», а также детектор AMS-02 на борту МКС). Судя по тому (немногому), что мы знаем о материи и антиматерии, они должны быть эквивалентны, но ведь вот какая штука:

во время Большого взрыва родилось совершенно одинаковое количество материи и антиматерии, и, будь они совсем-совсем похожи, они бы полностью аннигилировали — и наш мир бы не существовал.

То есть между ними должна быть какая-то разница — вот ее и ищут на эксперименте ALPHA.

«Наш первоначальный источник — машина, которую мы называем замедлителем протонов, — говорит руководитель эксперимента. — Она действительно необычна: она снижает скорость частиц. Как все знают, обычно в CERN мы делаем совершенно обратное — заставляем их двигаться быстрее. Это единственная установка такого рода в мире. Зачем мы это делаем? Причина в том, что антиматерия производится с высокой энергией, но мы хотим использовать ее при очень низкой энергии. Эта установка — первое звено. Она замедляет антипротоны до точки, когда мы можем захватить и остановить их. Это гораздо сложнее, чем ускорить частицы. Вообще за создание технологии замедления (мы говорим «охлаждения») протонов была вручена Нобелевская премия в 1980-е годы.

Мы сами, конечно, считаем, что это лучшая установка CERN: это очень необычное, историческое место.

И это единственное место в мире, где можно проводить такие исследования, больше таких установок не существует. Если вы хотите изучать свойства антиматерии (атомов антиводорода), вам нужно приехать сюда», — добавил он.

В эксперименте ALPHA синтезируют антиводород — атом, состоящий из антипротона и позитрона, — и учатся хранить его. Сотрудники ALPHA первыми в мире научились собирать его в «ловушке», им же принадлежат первые эксперименты по изучению свойств антиводорода.

«Это установка из «Ангелов и демонов». Наша работа вдохновила Брауна на эту книгу, в ней нет ничего общего с Большим адронным коллайдером. Мы здесь уже больше 20 лет, то есть мы занимались этой физикой еще до того, как возникла идея БАК», — рассказал Хангст.

«Стандартная модель, законы физики, какими мы их знаем, говорят, что материя и антиматерия должны быть одинаковыми. А мы хотим провести измерения и понять, так ли это. Это очень сложно: мы работаем с отдельными атомами при низкой энергии. Вместо эксперимента на высокой энергии мы делаем высокоточный эксперимент. Почему антиводород? Если вы хотите провести точные измерения, их нужно проводить на том, что вы хорошо знаете. Атом водорода мы изучаем со времен Нильса Бора, это первая модельная система для квантовой механики — и это единственная система, для которой можно точно решить уравнение Шредингера. Об атоме водорода мы знаем все. Поэтому так интересно детально изучить антиводород и понять, такой же он или нет. Мы работаем над этим уже 20 лет: учимся получать его и измерять его свойства», — пояснил Хангст.

Главная установка сегодня — ALPHA-2, а оригинальная установка ALPHA сейчас стала своего рода музеем. Именно там был получен, заключен в «ловушку» и зарегистрирован первый антиводород. Но работа активно движется вперед.

«ALPHA-2 — это совершенно новая машина, созданная для проведения спектроскопических исследований. Каждые 100 секунд мы получаем пучок антипротонов – около 40 млн частиц. Мы их останавливаем с помощью магнитного поля и ловим с помощью дополнительного электрического поля. Это «ловушка». В устройстве очень глубокий вакуум, чтоб антиматерия не аннигилировала, встретившись с материей. А чтобы замедлить антипротоны, мы просто пропускаем их через тонкую алюминиевую фольгу. Большинство аннигилируют, но что-то остается. Из 40 млн антипротонов у нас остается около 100 тыс. замедленных антипротонов. Мы их улавливаем и останавливаем. Почти никакого движения не происходит, мы работаем очень близко к абсолютному нулю температуры», — объясняет Хангст.

Заряженные частицы — антипротон и позитрон (антиэлектрон) — относительно легко удерживать. Есть магнитное поле, электрическое поле, с которыми они взаимодействуют, и это очень сильные взаимодействия, с помощью которых частички можно «фиксировать». Но атом антиводорода (позитрон+антипротон) нейтрален, потому-то работать с ним очень сложно. Есть единственная возможность удержать его – использовать его дипольный момент и магнитное поле, а это уже будут слабые взаимодействия. Частицы выстраиваются в магнитном поле, согласно дипольному моменту, и вот это слабое воздействие используют в эксперименте ALPHA, чтобы построить магнитную «стену», не допустив аннигиляции.

Именно это впервые было сделано здесь в 2010 году.

Ученые показали, что могут получать атомы антиматерии и удерживать их в течение 1000 секунд – около 16 минут.

«Вообще мы даже не знаем, каково максимальное время удержания антиматерии: измерять его уже просто скучно, нет никакого интереса удерживать её дольше. 16 минут для атома все равно что бесконечность, так как за это время можно произвести все необходимые операции по изучению антиматерии. Первые результаты, которые мы получили, были сделаны с помощью микроволновой спектроскопии», — вспоминает Хангст.

Так что здесь фантастика просчиталась: просто «сложить» антиматерию в стакан, чтобы украсть, не удастся.

«Стакану» нужна магнитная «стена», она очень сложна и совершенно нетранспортабельна. Так что украсть антиматерию никак не выйдет.

«Вот забавная история: за одну из частей установки заплатила Carlsberg, пивная компания. Произошло это очень просто: я занимаю профессорскую позицию в Дании, а Carlsberg в Дании спонсирует фундаментальные исследования. И вы можете подать заявку на грант в компанию. Это я и сделал – и получил полмиллиона евро на эту часть установки от пивной компании. По-моему, это круто», — смеется ученый.

«Конечно, нам было бы удобнее «увидеть», что материя и антиматерия одинаковы, как о том говорит Стандартная модель. Но мы знаем, что здесь что-то не так. Во время Большого взрыва возникло одинаковое количество материи и антиматерии, но вместо полной аннигиляции мы наблюдаем наш мир, состоящий из материи. То есть должна быть какая-то разница между материей и антиматерией, которая объяснит, почему мы вообще все существуем. Ее мы и ищем. Но это очень, очень небольшая разница», — пояснил он.

Несмотря на вынужденный простой инструментария (весь ускорительный комплекс CERN будет «спать» полтора года во время модернизации БАК), научная работа продолжит кипеть.

«Мы провели первые измерения с одиночными атомами, микроволны были первым примером. Следующий шаг – перейти к лазерной спектроскопии. До 2014 года весь ускорительный комплекс CERN будет остановлен. И к этому моменту мы подготавливаем все необходимое оборудование и идеологию экспериментов. За полтора года мы сделаем все необходимые приготовления, разработаем все методики, технологии и приступим к новым открытиям», — рассказал о планах работы Хангст.

Конечная цель – найти разницу между материей и антиматерией, если, конечно, она есть.

«Я сам, конечно, понятия не имею, есть ли эти различия, у меня нет никакого заранее известного суждения. Я ученый-экспериментатор: я провожу измерения и делаю выводы из них. Но мы должны работать чисто: это не случай бозона Хиггса, когда вы видите несколько событий, и это уже открытие. Разница между водородом и антиводородом может быть в десятом знаке после запятой, в пятнадцатом знаке после запятой. Нам нужно разрешение, мы ищем какой-то знак новой физики, новых взаимодействий. Это опять же не Хиггс, который предсказан. Мы ищем какие-нибудь свидетельства существования того, что мы сейчас вообще не понимаем, даже не представляем. Это совсем другое: тут высок риск, и нет никакой гарантии, что нас ждет открытие.

С помощью лазерной спектроскопии мы попытаемся найти разницу между материей и антиматерией. Но

штука в том, что, даже если мы найдем эти различия в свойствах, это не обязательно объяснит, почему все-таки материя «победила». Но это откроет совершенно новую ветвь физики.

Еще один интересный момент для меня как ученого-экспериментатора состоит в том, что это действительно очень, очень сложно. То есть работа так сложна, что, даже если мы ничего не найдем, сам по себе процесс — уже результат. 20 лет назад большинство людей сказали бы, что то, что мы уже сделали, просто невозможно, никогда этого никто не сделает. И так говорили о каждом шаге — получить антиматерию, «поймать» ее, охарактеризовать. После каждого шага нам говорили, что следующий невозможен. Но мы двигались и продолжаем двигаться вперед», — заключил ученый.