Антивещество становится долгожителем

Установка ALPHA, в которой и поймали антиводород.
Фото с официального сайта CERN

Представители коллаборации ALPHA в Европейском центре ядерных исследований (CERN, Женева) опубликовали в журнале Nature статью, в которой объявили о том, что им удалось задержать отдельные атомы антиводорода в магнитной ловушке на 172 миллисекунды (0,172 с). Это – замечательное экспериментальное достижение. Еще чуть-чуть – и с антиматерией можно будет проводить чисто химические опыты. Например, в 2006 году ученым из Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) удалось химически идентифицировать изотоп сверхтяжелого трансуранового элемента № 112 из таблицы Менделеева, продолжительность жизни которого составляла всего лишь около четырех секунд. В связи же с экспериментами физиков из CERN можно говорить о продолжении истории получения в земных условиях антиматерии.

«Осуществленные в CERN синтез и удержание простейших атомов антиматерии – антиводорода представляют собой значительный шаг в понимании природы антивещества и его взаимодействия с обычным, окружающим нас веществом, – подчеркивает Олег Далькаров, руководитель Отделения ядерной физики и астрофизики Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, доктор физико-математических наук, профессор. – В экспериментальной установке, созданной коллаборацией ALPHA, удалось синтезировать 38 атомов антиводорода, просуществовавших в вакууме 0,1 секунды до аннигиляции с веществом стенок, что почти в тысячу раз превышает время жизни атомов антиводорода, синтезированных до сих пор».

Чтобы лучше почувствовать значение проведенного в CERN эксперимента, необходимо сделать маленькое космологическое отступление.

В самые первые мгновения своего развития Вселенная была очень горячая и очень плотная. «Горячая» – это значит, что характерные энергии рождающихся частиц были выше, чем те энергии столкновений частиц, которые мы можем сегодня получать на ускорителях элементарных частиц. Согласно современным физическим представлениям, Большой взрыв – это событие с масштабом энергии 1019 ГэВ (1028 электронвольт) и выше. А в самом мощном на сегодняшний день ускорителе элементарных частиц – Большом адронном коллайдере в CERN – предполагается достигнуть уровня энергий в 14x1012 электронвольт в системе центра масс сталкивающихся частиц. Почувствуйте разницу, что называется!

И вот в этой, такой компактной и горячей Вселенной было поровну и вещества, и антивещества. По крайней мере в самый первый момент времени после Большого взрыва. А дальше начинает происходить что-то непонятное: антивещество куда-то «улетучивается». Вселенная, в которой мы сегодня с вами живем, состоит почти целиком из вещества без приставки «анти». «Антивещества действительно крохи, – пояснял еще несколько лет назад в беседе с корреспондентом «НГ» академик Валерий Рубаков. – И даже то, что есть, имеет совсем не космологическое происхождение. А в ранней Вселенной примерно на 10 миллиардов частиц и античастиц приходилась одна лишняя частица. Это еще один замечательный вопрос космологии┘»

Теперь вот в лабораторных земных условиях удалось получить и удержать 172 миллисекунды (гигантское по масштабам микромира время!) аж 38 атомов антиводорода! Вся штука в том, что любое взаимодействие вещества и антивещества заканчивается взрывом, аннигиляцией – мгновенным и без остатка превращением в излучение и того и другого. Действительно, об искусстве экспериментаторов в CERN может дать некоторое представление следующий факт: аннигиляция 1 (одного) грамма вещества с антивеществом эквивалентна взрыву атомной бомбы мощностью в 10 килотонн. Космическому кораблю трех миллиграммов антивещества, используемого в качестве компонента ракетного топлива, хватило бы для полета на Марс. Именно поэтому важно создать условия для соединения антипротона с позитроном в атом антиводорода, прежде чем эти античастицы успеют погибнуть.

«Успех коллаборации ALPHA был обусловлен созданием специальных магнитных ловушек, где вследствие особой конфигурации и большой величины магнитных полей за счет взаимодействия с собственным магнитным полем атома антиводорода удалось удержать простейшие атомы антивещества до очень большого (по сравнению с аннигиляционным) времени, – пояснил, комментируя произошедшее для «НГ-науки» профессор Далькаров. – В принципе созданная установка и имеющиеся магнитные поля способны удержать до миллиона атомов антиводорода».

Началась эта антиводородная эпопея уже достаточно давно. Впервые существование античастиц было предсказано в 1930 году английским физиком Полем Дираком. В 1932 году в космических лучах были обнаружены положительно заряженные антиэлектроны (позитроны). В 1955 году на ускорителе в Беркли (США) впервые получены и антипротоны. В 1969 году советские физики на ускорителе Института физики высоких энергий в г. Протвино открыли ядра антигелия-3. В 1994 году в CERN группа японских физиков синтезировала некий достаточно устойчивый гибрид вещества и антивещества, в котором вокруг атомного ядра вращались один электрон и один протон.

Спустя два года, опять же в CERN, было получено и «нормальное» антивещество: девять атомов антиводорода. В 2002-м – новый успех физиков из CERN: они смогли получить более 50 тыс. атомов антиводорода. Одно «но»: существовали эти атомы время, по сравнению с которым мгновение ока – вечность.

«Атомы антиводорода образуются в специальных «вложенных» ловушках, где за счет электрических полей накапливаются предварительно охлажденные антипротоны (ядра простейшего антиатома) и позитроны (антиэлектроны) от радиоактивного источника, – рассказывает Олег Далькаров. – Сейчас удается синтезировать до 50 тысяч атомов ультрахолодного антиводорода. Однако рожденные таким образом атомы антиводорода аннигилируют на стенках электростатических ловушек за доли миллисекунд».

В модели этого космического корабля для создания тяги используется аннигиляция материи и антиматерии. Фото NASA

Не случайно сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Диего Клифф Сарко отмечает: «Физики должны оценить свойства антиводорода, а выполнить необходимые опыты можно только в том случае, если время его существования будет довольно большим».

И вот – почти две десятых секунды! Это уже почти физиологически ощутимый временной отрезок. И за это, конечно, надо сказать спасибо установке ALPHA и оригинальной методике эксперимента.

Чтобы получить атомы антиводорода, ученые охлаждали «облако», содержащее около 30 тыс. антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и «облако» из 2 млн. позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Процесс слияния двух этих «облаков» и происходил в специальной магнитной ловушке. Занятие, по всей видимости, было довольно муторным. Пришлось повторить эксперимент 335 раз (то есть пронаблюдать взаимодействие 10 млн. антипротонов и 700 млн. позитронов), чтобы получить те самые 38 атомов антиводорода и зафиксировать его в ловушке.

Резонный вопрос: зачем и кому все это нужно? «Решение проблемы синтеза, накопления и удержания в вакууме атомов антиводорода дает возможность необычайно точных исследований спектра и свойств такого антиатома и, что наиболее важно, сравнение с аналогичным атомом обычной материи, – комментирует профессор Олег Далькаров. – Такое сравнение даст ответ на вопрос, почему нас окружает обычная материя, в то время как в процессе рождения Вселенной (Большого взрыва) ожидалось бы рождение равного количества материи и антиматерии. Более того, исследование структуры и свойств атома антиводорода позволит ответить на принципиальные вопросы современной физики, такие как возможные эффекты нарушения фундаментальных симметрий, сравнение электромагнитных, гравитационных и других важнейших свойств материи и антиматерии».

Но, конечно, наиболее отважные футурологи, наверное, уже рисуют в своем воображении космические корабли, в которых тяга создается за счет аннигиляции вещества и антивещества. Впрочем, и вполне серьезные организации присматриваются – и не первый год! – к антиматерии.

Так, Институт передовых концепций NASA (NIAC) еще в 2005 году выделил грант на исследование, посвященное изучению возможности использования антивещества в качестве топлива будущих космических аппаратов. Тогда открытый конкурс NIAC выиграл проект Геральда Смита из компании Positronics Research.

Одно «но»┘ Существуют оценки, согласно которым, для того чтобы получить и удержать грамм антивещества, нужно порядка 10 млрд. долл. Но это уже, по всей видимости, – чисто инженерная задача. По крайней мере Олег Далькаров подчеркивает: «Несмотря на то что созданные технологии позволяют накапливать не более нескольких пикограмм антиводорода (10–12 граммов) в течение года, в не столь отдаленном будущем, когда технологии производства антивещества станут более эффективными и, главное, более дешевыми, с помощью синтеза антивещества станет возможным в миллионы раз увеличить энергоемкость источников энергии. Это позволит реализовать существующие пока в научной фантастике межзвездные полеты».

Первые 38 долгоживущих атомов антиводорода уже в нашем распоряжении.