Тема ловушек, в которых может храниться антивещество, освещена в научной фантастике достаточно хорошо, достаточно только вспомнить фильм «Ангелы и Демоны». Но в реальной жизни наблюдается совсем иная ситуация с контейнерами и ловушками для антивещества. Все существующие подобные устройства, в первую очередь, предназначены для проведения исследований и представляют собой стационарные установки, способные держать антивещество в целости и сохранности лишь не очень продолжительное время. Но у ученых Европейской организации ядерных исследований имеется насущная необходимость в создании мобильной ловушки, при помощи которой антипротоны могут быть перемещены из одной лаборатории в другую. И недавно ученые приступили к созданию первого опытного образца.
Напомним нашим читателям, что с антивеществом связана одна из самых больших и важных космологических загадок современности. Согласно Стандартной Модели физики элементарных частиц и других существующих теорий, в момент Большого Взрыва сформировалось одинаковое количество материи и антиматерии. Если бы это было на самом деле, то Вселенная, в том виде, в котором мы видим ее сегодня, не могла существовать, вся материя и антиматерия взаимоуничтожилась рано или поздно, аннигилировав вспышкой гамма-излучения и частиц нейтрино.
Однако, все космические объекты, которые мо можем видеть в доступной нам части Вселенной, состоят из обычной материи, а антивещество образуется во время самых высокоэнергетических космических катаклизмов и существует очень короткое время.
И фундаментальный вопрос, о котором упоминалось чуть выше, звучит так — куда же делось все антивещество? Знание ответа на этот вопрос дало бы людям множество новых знаний об устройстве Вселенной, об ее эволюции и прочих вещах. И сейчас физики стараются узнать больше о самых доступных частицах антивещества — антипротонах, которые практические идентичны обычным протонам, за исключением противоположного электрического заряда и некоторых мелких отличий, проявляющихся лишь на квантовом уровне.
В CERN антипротоны вырабатываются при помощи луча протонов, разогнанного ускорителем Proton Synchrotron, который нацелен на металлическую мишень. Основная масса антипротонов имеет энергию порядка 3 500 МэВ, для дальнейших исследований их специально замедляют или, как говорят физики, охлаждают до энергии в 5.3 МэВ.
Однако, и такого уровня охлаждения антипротонов еще недостаточно для проведения исследований, поэтому на установке Extra Low ENergy Antiproton (ELENA), в которой используется плазма, антипротоны замедляются до энергии в 90 кэВ. Такой подход работает, но при этом разрушается огромное количество антипротонов, а оставшийся поток антивещества настолько мал, что для накопления одного нанограмма потребуется около тысячи лет.
К сожалению, в деле производства антипротонов имеется еще ода большая проблема, после того, как эти антипротоны получены и замедлены, надо приступать к их изучению. Но этого сделать принципиально невозможно в помещении Antimatter Factory, которое пронизано сильными магнитными полями и электромагнитными помехами. Для изучения антипротоны должны быть упакованы в ловушку и отправлены в другую лабораторию с подходящими для исследований условиями.
Для того, чтобы обеспечить сохранность антивещества необходимо исключить его контакт с обычной материей, включая стенки контейнера. Для решения этой проблемы в свое время было организовано два эксперимента BASE-STEP и PUMA, в рамках которых велась разработка стабильной и компактной ловушки антивещества, которая может быть установлена в кузове небольшого грузовика. Один эксперимент решал задачу подачи и извлечения антипротонов из ловушки, а второй — задачу создания самой ловушки.
Ловушка BASE-STEP является одной из вариаций ловушки Пеннинга, имеющей магнит со сверхпроводящими обмотками. Эти обмотки охлаждаются жидким гелием, и внутри ловушки создается гомогенное осевое магнитное поле и неоднородное четырехполюсное электрическое поле, комбинация которых позволяет удерживать антипротоны. Структура такой ловушки кажется простой, но на самом деле это установка двухметровой высоты и весом в одну тонну.
Ловушка PUMA является двойной зональной ловушкой, располагающейся в недрах магнита-соленоида со сверхпроводящими обмотками, вес которого также составляет около одной тонны. Внутри этой ловушки поддерживается вакуум высокой чистоты и температура на уровне 4 градусов выше абсолютного нуля. Комбинация условий в недрах этой ловушки позволяет удерживать антипротоны от контакта с обычной материей в течение длительного времени.
Когда сооружение новой ловушки будет закончено, что должно произойти в 2023 году, эта ловушка будет использоваться для транспортировки антивещества от фабрики Antimatter Factory до лаборатории ISOLDE, в которой проводятся исследования, связанные с экзотическими областями физики. Кроме поисков различий между протонами и антипротонами, ученые будут использовать частицы антивещества для бомбардировки ядер нестабильных элементов, пытаться определить удельные соотношения протонов и нейтронов на поверхности ядер атомов и изучать некоторые особенности, связанные со строением нейтронных звезд.
Материалы по теме:
Posted in 
Tags: 