Физика будущего: CERN разрабатывает ловушку для антиматерии
Антивещество — одна из великих космических загадок, которая озадачивает ученых с тех пор, как его существование было подтверждено в середине 20 века. Хотя частицы антивещества имеют ту же массу, что и их материальные аналоги, они несут противоположный заряд и другие квантовые различия. Это означает, что при встрече вещества и антивещества они оба аннигилируют в огромной вспышке гамма-лучей и нейтрино.
В результате мы получим впечатляющий субатомный фейерверк, но для ученых это еще одна головная боль. Согласно стандартной теории образования Вселенной, в мире должно быть поровну материи и антивещества. Но если бы это действительно было так, то либо Вселенная не должна существовать в привычном для нас виде, либо где-то должны быть обширные области космоса, излучающие гамма-лучи, поскольку материя и антивещество постоянно смешиваются в них и порождают колоссальное излучение.
Вместо этого антивещество встречается крайне редко. Что же случилось с ним? Может, большая его часть сосредоточена в чрезвычайно далеких галактиках, которые мы пока попросту не можем увидеть? А может, изначально вещества было так много, что оно уничтожило все антивещество, и теперь во Вселенной встречаются лишь жалкие, фрагментарные остатки? Сохранилось ли в мире антивещество из ранней Вселенной или все, что мы видим, образуется в результате взаимодействия с атомами и космическими лучами? А может, основная теория ошибочна?
Ответ на эти вопросы многое откроет массу невероятно интересной информации о природе и истории космоса, поэтому физики очень хотят узнать больше об антивеществе, и в частности об антипротонах (которые почти идентичны протонам, за исключением их заряда).
В ЦЕРНе антипротоны создаются путем запуска пучка протонов из лабораторного синхротрона по металлической мишени. Эти антипротоны обладают большой энергией, около 3500 МэВ, поэтому их нужно замедлить до т.н. «медленных» или «холодных» антипротонов, прежде чем частицы можно будет изучать. Данная операция происходит в антипротонном замедлителе, который замедляет античастицы до 5,3 Мэв, пропуская пучок антипротонов через тонкий лист металлической фольги.
Однако даже этого недостаточно, поэтому ЦЕРН использует аппарат со сверхнизкой энергией (ELENA), которая использует плазму для замедления антипротонов до 90 кэВ. Этот подход работает, но в процессе уничтожается так много антипротонов, что оставшимся потребуются тысячи лет, чтобы произвести нанограмм антивещества.
К сожалению, у фабрики антиматерии ЦЕРНа есть и другая проблема. Когда антипротоны уже созданы и остынут в достаточной степени, как их изучать? Магнитная среда лаборатории слишком «шумная» для тонких экспериментов, поэтому антипротоны нужно хранить и перемещать в другое помещение. Это сложно, потому что их нельзя просто запихнуть в бутылку. Фактически, им нужен контейнер, в котором они не соприкасаются даже со стенками, но который при этом можно легко перемещать.
Для достижения этой цели Исследовательский совет ЦЕРН дал зеленый свет на разработку варианта двух экспериментов, названных BASE-STEP и PUMA. Их цель – разработка более стабильных и компактных приборов, которые можно использовать для создания оборудования, подлежащего транспортировки на небольшом грузовике. Два эксперимента будут скомпанованы в единый блок, один из которых улавливает и высвобождает антипротоны, а другой накапливает их.
BASE-STEP — это ловушка Пеннинга внутри отверстия сверхпроводящего магнита, усиленная для стабильной транспортировки. Охлаждаемая жидким гелием ловушка использует однородное аксиальное магнитное поле и неоднородное квадрупольное электрическое поле для захвата и высвобождения антипротонов. Звучит просто, но при габаритах 1,9 м в длину установка весит целую тонну.
Между тем, PUMA представляет собой двухзонную ловушку внутри сверхпроводящего соленоидного магнита весом в одну тонну, который опустошается до чрезвычайно высокого вакуума и охлаждается до четырех градусов выше абсолютного нуля. Генерируемое поле может удерживать антипротоны, не позволяя им контактировать с веществом в течение длительных периодов времени.
Когда новое устройство хранения будет завершено и введено в эксплуатацию в 2023 году, оно в первую очередь послужит для перемещения антивещества на небольшое расстояние: от завода по производству антивещества до центра ISOLDE в ЦЕРНе для изучения экзотической ядерной физики. Помимо сравнения антипротонов и протонов, антивещество также будет использоваться для бомбардировки короткоживущих элементов, что позволит определить относительную плотность протонов и нейтронов на поверхности их ядер, что улучшит наше понимание структуры нейтронных звезд – одних из самых необычных объектов в космосе.
Специалисты ЦЕР заявили о начале работ по созданию капуслы-ловушки для транспортировки антипротонов