Хранение антиматерии

Проблема хранения энергии касается не только антиматерии. Мы знаем, как хранить нефть и газ. Но сейчас по всему миру идет активное развитие альтернативной энергетики, изучаются возможности использования солнечных батарей и ветрогенераторов. Электричество, произведенное этими источниками энергии, уже используется, хотя, конечно, до освещения и отапливания домов только с помощью энергии солнца, силы ветра и антиматерии еще очень далеко.

Но энергетические комплексы для выработки энергии из альтернативных источников уже есть – например, они работают в небольших изолированных поселках в разных странах мира. Если тянуть на сотни километров линии от электростанции, потери окажутся неоправданно большими. Поэтому в таких уголках активно строят солнечные и ветряные электростанции.

В США стоимость киловатта в регионах с большим количеством солнца составляет семь центов. Конечно, на юге эффективность солнечных батарей всегда будет выше. В некоторых регионах такие установки выбирают, руководствуясь заботой об окружающей среде. Иногда солнце и ветер используют во взаимодействии с электросетью.

Теоретически эффективность преобразования солнечной энергии может достигать 86 % (антиматерии – 100 %). Правда, КПД нынешних солнечных батарей в массовом производстве составляет всего 18 %, но это все равно выгодно. А какую выгоду может дать использование антиматерии?

Век нефти закончится не из-за дефицита нефти, а из-за того, что появляются новые технологии, одной из которых может стать антиматерия. На сегодняшний день способ преобразования солнечной энергии уже достиг уровня, когда он начинает конкурировать с имеющимися старыми источниками электроэнергии, включая АЭС

Не так давно было предложено решение проблемы хранения энергии, выработанной солнечной батареей. Американский изобретатель Илон Маск представил литий-ионные аккумуляторы. Возможно, это изобретение изменит расклад сил в мировой энергетике.

А что же с антиматерией, которая определенно может быть более эффективна, чем солнце и ветер? Решение вопроса хранения вещества, которое разрушает все, предложил Бруно Тушек, австрийский физик, который занимался физикой ускорителей и создал первый в мире электрон-позитронный коллайдер. В его коллайдере пучки частиц и античастиц вращаются в одном и том же кольце навстречу друг другу, сталкиваясь в двух точках, где детекторы регистрируют результат взаимодействия. Поскольку антиматерия разрушит любой материальный предмет, ее следует держать в клетке, не имеющей стен. Решение – вакуум, который лучше открытого космоса с магнитными и электрическими полями. В нем должны быть заключены античастицы, позитроны или антипротоны, как циркулирующие пучки.

Этот эффект был достигнут в лабораториях, занимающихся физикой частиц, например в ЦЕРН, где использовалось кольцо магнитов протяженностью 27 километров, где в течение многих недель пучки позитронов направляли сквозь вакуумную трубку. Эти позитроны двигались со скоростью света и жили столько времени, сколько времени не касались стенок трубки благодаря подпитывающему магниты электричеству или пока не сталкивались со случайными атомами газа внутри трубки.

Об этом эксперименте мы поговорим ниже, а сейчас нас интересует, как хранить антиматерию, как ее транспортировать и использовать в реальности. Определенно, непрактично строить 27-километровые круги магнитов и тем более перевозить их с места на место. И в этом нет необходимости. Огромное кольцо было вершиной научных достижений, разработанное специально для производства и управления пучками антиматерии, на скорости, максимально приближенной к естественному пределу скорости – 300 000 километров в секунду. Но начальная идея и технология появились гораздо раньше сооружения кольца магнитов, в 1960 году, и принадлежит упомянутому Бруно Тушеку. Хотя в то время ни он сам, ни кто-то другой не могли предвидеть, что это может быть решением вопроса хранения антиматерии.

Во время Второй мировой войны Тушек работал над радаром в Гамбурге. Одним из его коллег был норвежец Рольф Видероэ (1902–1996), занимавшийся физикой ускорителей. Какое-то время Видероэ работал в ЦЕРН – известном центре ускорителей. Он первым предложил идею создания бетатрона (1923) и в 1926 году сконструировал его, однако помешали ошибки в расчете удержания и фокусировки пучка. Тем не менее другие ученые использовали наработки и на их основе Дональд Керст запустил первый в мире бетатрон в 1940 году. Сам Видероэ участвовал в разработке и создании нескольких бетатронов, циклотронов, синхротронов, накопителей, ему принадлежит несколько патентов на методы ускорения частиц. До сих пор основная идея Видероэ остается принципом, лежащим в основе современных ускорителей.

Затем последовали эксперименты американского физика Эрнеста Орландо Лоуренса (1901–1958), который выдвинул идею и построил циклотрон – первый в мире циклический ускоритель – ускоритель протонов, в котором частота ускоряющего электрического поля и магнитное поле постоянны во времени, а частицы движутся по плоской развертывающейся спирали. Лоуренс предложил многократное прохождение частицами ускоряющего зазора с относительно небольшим напряжением. Для замыкания орбиты использовалось постоянное магнитное поле, для ускорения частиц – локализованное высокочастотное электрическое поле с амплитудой в несколько киловольт. Для нерелятивистских частиц частота обращения не зависит от скорости, поэтому частица, многократно проходя через ускоряющий зазор и увеличивая свою скорость и радиус вращения, все равно приходит в ускоряющий зазор в нужной фазе с электрическим полем. За это Лоуренс был удостоен Нобелевской премии в 1939 году (а патент получил еще в 1934 году). Вообще он построил несколько циклотронов, каждый раз совершенствуя предыдущий. Лоуренс оставил после себя труды по ядерной физике, ее применении в биологии и медицине и был участником создания атомной бомбы. Можно сказать, что благодаря циклотрону Лоуренса появилась современная физика высоких энергий.

Для нас самой интересной является идея Видероэ, касающаяся частиц, которые идут в противоположных направлениях по одной и той же орбите. Он хотел собирать и сталкивать такие частицы, но получил отказ, когда обратился за патентом по причине того, что хотел заниматься «очевидным». Прошло пятнадцать лет, и этим же начали заниматься другие.

Если вы выстрелите двумя частицами друг в друга, вероятность столкновения будет ниже их расхождения. Однако если вы накопите много таких частиц, а затем выстрелите двумя мощными пучками друг в друга, то разумно предполагать, что частицы из двух противоположных пучков встретятся друг с другом в одном месте и в одно и то же мгновение.

Впервые эту «очевидную» идею применили в 1959 году – американцы использовали магниты для направления электронов по двум кольцам. В одном кольце магнитные поля направляли электроны по часовой стрелке, а в другом поля изменяли, чтобы электроны шли против часовой стрелки.

Узнав об этих экспериментах, Тушек вспомнил о беседах с Видероэ, и его осенила собственная идея. У позитронов такая же масса, как у электронов, но противоположный знак электрического заряда, так что магнитное поле, которое направляет электроны, например, направо, будет отправлять позитроны налево. Вместо двух наборов магнитов, направляющих электроны в противоположных направлениях, почему бы не взять один набор магнитов, который направит электроны в одну сторону, а позитроны в другую? При условии, что у двух пучков одна и та же энергия, они пойдут одинаковыми путями, но вращение будет идти в противоположных направлениях.

В коллайдере ADA пучки частиц и античастиц вращались в одном и том же кольце навстречу друг другу, сталкиваясь в двух точках, где детекторы регистрируют результат взаимодействия. Ученые смогли успешно сохранять и электроны, и позитроны, и это стало первым в истории укрощением античастиц

В результате Тушек с коллегами спроектировал и построил коллайдер с накопительным кольцом в лаборатории Фраскати под Римом. Его назвали ADA – сокращение от итальянского Anello d’Accumulazione, «накопительное кольцо».

Затем машину перевезли в лабораторию Орсе под Парижем, где была возможность использовать более мощные электронные лучи. И именно там в 1963 году успешно сохранили мощные пучки позитронов и пропустили их сквозь пучки электронов. Время от времени отдельные электроны и позитроны в пучках сталкивались, и в результате этого мгновенно происходила аннигиляция пары и вспышка. Появлялся выбор: если хотите, можно хранить античастицы, а можете заставлять их сталкиваться, в результате чего они будут уничтожены.

В течение следующих тридцати лет ученые строили накопительные кольца для хранения электронов и позитронов все большего и большего размера, пучки имели все более и более высокую энергию. Их сталкивали друг с другом, происходила аннигиляция, и в процессе экспериментов ученые поняли, что это отличный способ узнать о происхождении и природе материи. Несколько прорывов привели к вручению Нобелевских премий.