02.12.2010

Магнитная ловушка для антивещества

Физики из Европейского центра ядерных исследований создали несколько атомов антиводорода и сумели удержать их в магнитной ловушке 0,17 секунды. До сих пор не удавалось заставить антивещество существовать так долго. Раньше при подобных экспериментах ученые не успевали провести все нужные измерения, так как оно очень быстро аннигилировало.

Напомню, что антивеществом называют точную противоположность обычного вещества, состоящую из элементарных частиц-антиподов. Известно, что таковые имеются у каждой элементарной частицы, причем они обладают такой же массой и спином (проще говоря, направлением вращения вокруг "своей оси") и противоположным зарядом. Например, электрону с отрицательным зарядом соответствует его брат-близнец позитрон, который имеет положительный заряд.

Неудивительно, что подобным античастицам тоже свойственно объединяться в атомы (точнее, антиатомы), которые и лежат в основе антивещества. Самым элементарным антивеществом является, как вы понимаете, тот самый антиводород, состоящий из антипротонового ядра и бегающего рядом с ним позитрона. Первые атомы такого типа были получены в Европейском центре ядерных исследований (CERN) еще в 1995 году. Однако существовали они весьма недолго, аннигилируя (то есть исчезая) при столкновении с обычными атомами через миллионные доли секунды.

И вот теперь ученым удалось продлить их жизнь до 0,17 секунды. Сделано это было с помощью специальной установки ALPHA, где антиводород образуется при взаимодействии антипротонов, получаемых путем облучения протонами металлической мишени, и позитронов, рождающихся в результате распада изотопа 22Na. Сам процесс объединения небольших "облаков" предварительно охлажденных частиц развивается в вакууме в ловушках Пеннинга (более подробное описание эксперимента желающие могут прочесть в соответствующей статье, опубликованный в одном из последних номеров Nature).

В такой ловушке создается магнитное поле, величина которого достигает минимума в ее центре. Поэтому для атомов антиводорода, у которых спин позитрона направлен против магнитного поля, в данной точке имеется минимум потенциальной энергии. Что и позволяет задержать их на время, необходимое для выполнения части нужных для ученых измерений

В процессе эксперимента физиками были созданы 30 000 антипротонов, охлажденных до 200 К, и двух миллионов позитронов, охлажденных до 40 К, при взаимодействии которых получились тысячи атомов антиводорода. Правда, большинство из них покинули "магнитную бутылку" практически мгновенно, после чего традиционно аннигилировали, однако примерно 38 штук продержались в "паутине" магнитного поля достаточно долго, то есть те самые 0,17 секунды.

Результаты эксперимента оценивались с помощью детекторов, которые регистрировали продукты аннигиляции антиводорода (их называют пи-мезоны или пионы, эти частицы имеют нулевой спин и могут быть заряжены положительно, отрицательно или нейтрально) при "выключении" ловушки. Сравнивая эти данные с заготовленными моделями, авторы отделяли полезные события от фоновых, какими являются попадания космических лучей или, например, банальная аннигиляции антипротонов, не связанная с экспериментом.

Заключительным этапом экспериментов должны стать спектроскопические измерения, для выполнения которых, как считает один из исследователей, сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Диего Клифф Сарко, необходимо захватить в ловушку сразу 100 атомов антиводорода. Подобные измерения до сих пор не удавалось провести из-за того, что прежде антиатомы существовали весьма недолго. А ведь они чрезвычайно важны для теоретической квантовой физики.

Так, например, исследуя свойства антиводорода, физики надеются проверить так называемую CPT-инвариантность, которая считается фундаментальным качеством физических законов. Подтекст этой инвариантности состоит в том, что зеркальное отображение нашей Вселенной, то есть Антивселенная, должна будет устроена и вести себя так же, как и ее прототип. Поскольку в любой момент соответствующих времен (в Антивселенной, согласно предположениям, время движется в обратном направлении) две вселенные будут идентичны, то преобразование CPT запросто превратит одну в другую, то есть все антивещество сможет стать веществом и наоборот.

Однако, для того чтобы проверить эту гипотезу, для начала нужно "заготовить" побольше антивещества и сделать так, чтобы оно просуществовало столько, сколько нужно для исследований. Не исключено, что первым этого добьется конкурирующий с ALPHA проект ATRAP. "Вместо того чтобы демонстрировать захват 38 отдельных атомов, мы разрабатываем методику длительного удержания гораздо большего числа более холодных атомов антиводорода", — заявляет участник этого проекта Джеральд Габриелсе.

Впрочем, несмотря на то, что добиться устойчивости антиматерии в течение длительного промежутка времени пока еще не удалось, уже находятся те, кто заявляет, будто бы подобные эксперименты таят в себе немалую опасность для человечества. Противники данного направления исследований, находящиеся явно под впечатлением романа Дэна Брауна "Ангелы и демоны", считают, что они позволят создать мощную бомбу из антивещества.

Известно, что при аннигиляции всего 1 кг антивещества с 1 кг вещества выделяется энергия, соответствующая 43 миллионам тонн тротила. Это немного меньше, чем у рекордной советской водородной бомбы (57 мегатонн), но раз в 10 больше, чем было использовано тротила всеми армиями во время Второй мировой войны. Именно поэтому некоторые, чтобы не допустить подобного кошмара, предлагают запретить любые исследования в данном направлении.

Однако ученые говорят, что подобные опасения пока абсолютно беспочвенны, поскольку речь идет лишь о получении ничтожного количества антиводорода, который к тому же существует меньше секунды. На то, чтобы увеличить время его жизни хотя бы до минуты, должна быть потрачена не одна сотня лет. Да и стоимость подобных экспериментов все еще весьма высока — на получение хотя бы 1 г антиводорода пришлось бы потратить около двух триллионов долларов, что уж говорить о килограммах!

Так что для создания бомбы из антиматерии пока нет никаких условий. И в ближайшем будущем вряд ли появятся.

Антон Евсеев

Источники:

1. ПРАВДА.Ру