Ловушка Пеннинга

Хранение античастиц с высокими энергиями, соответствующими температурам, которые гораздо выше, чем даже в центре Солнца, требует больших ускорителей. Возможно ли удержать их в холоде, при комнатной температуре или более низкой температуре? В 1984 году немецко-американский ученый Ганс-Георг Демельт смог хранить один единственный позитрон на протяжении трех месяцев в цилиндре, в котором был создан вакуум, размером в половину человеческого пальца. Это был не первый подобный опыт Демельта.

Демельт родился и вырос в Германии, а в 1952 году был приглашен на работу в США и принял американское гражданство. Его интересы распространялись на атомные и молекулярные пучки и физику элементарных частиц. Он разработал метод удержания одиночных ионов, используемый для прецизионной спектроскопии высокого разрешения. В 1989 году был удостоен Нобелевской премии по физике за разработку метода удержания одиночных ионов. Впервые Демельт описал преимущества ионных ловушек для спектроскопии высокой разрешающей силы в 1956 году. В последующие годы он пытался строить подобные ловушки. В 1959 году Демельту удалось продержать в магнетронной ловушке (впоследствии названной ловушкой Пеннинга) 1 электрон в течение 10 секунд. В 1973 году ему удалось первое длительное хранение одного электрона, он также смог построить одноэлектронный генератор совместно с Дэвидом Винеландом и Филом Экстромом. В последующие годы он усовершенствовал этот метод.

Ганс-Георг Демельт (род. в 1922) – лауреат Нобелевской премии по физике за разработку метода удержания одиночных ионов, 1989

Хранение позитрона на протяжении трех месяцев получилось благодаря оригинальной комбинации электрических и магнитных полей в аппарате, который Демельт скромно назвал ловушкой Пеннинга – в честь Франца Пеннинга, голландского физика, чью оригинальную идею развил Демельт.

Идея ловушки Пеннинга восходит к 1930-м годам, к тем дням, когда еще только зарождалась электроника, а телевизоры начинали работу на катодных лучевых трубках. Электричество проходит через провода так, словно это жидкость. Подсоедините один конец провода к отрицательному электроду (аноду) мощной батареи, а другой конец к металлической пластине (катоду) внутри стеклянной трубки, наполненной газом. Таким образом электричество будет проходить сквозь газ, вызывая странное освещение. Когда его впервые увидели в последние годы XIX века, викторианское общество было очаровано.

Попытки понять, что происходит, привели к открытию Джозефом Джоном Томсоном электрона, носителя электрического тока. Он добился этого, используя электрические и магнитные поля для направления пучка.

Если магнитное поле достаточно мощное, оно может направлять электроны по четким кругам, где они оказываются в ловушках на орбитах и не могут перебраться в дальний конец трубки. По крайней мере, это происходит в идеальном вакууме. Если присутствуют остатки газа, электроны начнут сталкиваться с атомами, сбегать со своих орбит и будет течь ток.

Ловушка Пеннинга. Этот тип ловушек часто используется при точных измерениях свойств ионов и стабильных субатомных частиц, обладающих электрическим зарядом. В ЦЕРНе в ловушках Пеннинга хранят антипротоны и другие заряженные античастицы

Франц Пеннинг решил, что этот эффект может использоваться для изготовления вакуумметра. Ток или идет, или пресекается, что зависит от напряжения, силы магнитного поля и газа в трубке. Демельт изменил напряжение так, что ток никогда не шел, вместо этого электроны вечно блуждали в магнитном поле. Его анод имел форму пустого цилиндра, крышка и дно находились под углом – по сути он сделал закрытую емкость, по размеру не превышающую банку для безалкогольных напитков, но вместо металла ловушка Пеннинга состояла из электрического и магнитного полей. Первым, что сделал Демельт, было улавливание одного единственно электрона в эту ловушку и измерение его магнетизма. Вращающийся электрон был подобен миниатюрному радиопередатчику, эмитирующему электромагнитное излучение, на которое Демельт мог настроиться с помощью радиоприемника. Он точно измерил частоты радиоволн и таким образом смог измерить магнетизм электрона с точностью до одной десятимиллиардной. Это был гораздо лучший результат, чем у кого-либо еще, и такой точный, что Демельт обнаружил: магнетизм электрона больше, чем подразумевало уравнение Дирака.

Отклонение оказалось маленьким, но это был чрезвычайно важный результат. Работа Демельта совсем не показала, что уравнение Дирака неправильное, наоборот, она подтвердила, что Дирак очень глубоко и основательно описал физический мир. Причина заключалась в том, что Дирак не просто создал теорию электрона, но также показал, как он реагирует на электромагнитные поля.

Ричард Филипс Фейнман (1918–1988) – выдающийся американский физик-теоретик, один из основателей электродинамики. Занимался квантовой теорией поля и предложил теорию квантовых вихрей, принимал участие в разработке атомной бомбы (Манхэттенском проекте)

Ричард Фейнман и другие доказали, что электромагнитное поле само может превратиться в проходящие электроны и позитроны, и это – одно из многочисленных странных свойств квантовой неопределенности.

Фейнман, в частности, работал над теорией «слабого распада», лучше всего проявляющегося в бета-распаде свободного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, что фактически позволило открыть новый закон природы. Больше всего он известен широкой общественности расследованием катастрофы шаттла «Челленджер», который взорвался через 73 секунды после взлета. Он рассказал о своих находках и умозаключениях по телевидению в прямом эфире и продемонстрировал, что произошло с уменьшенной копией шаттла, и это принесло Фейнману славу человека, разгадавшего тайну катастрофы. В НАСА знали о том, что запуск ракеты при низкой температуре воздуха чреват аварией, но решили рискнуть. Обслуживающий персонал, также знавший о возможном крушении, был вынужден молчать, дав соответствующие подписки о неразглашении.

Но нас интересуют другие эксперименты Фейнмана и Демельта. Они показали, что непосредственное окружение электрона – это не пустое пространство, что там наблюдается бурная активность. Демельт во время своих экспериментов добился такой точности, что измерил не только электрон, но также и воздействие окружающего его вакуума. Оказывается, что электрон, если посмотреть на него повнимательнее, нарушает вакуум, превращает пустоту в улей активности, в котором содержатся античастицы. Демельт доказал то, что подозревали теоретики: мы живем в мире материи, но вакуум полон и «виртуальной» антиматерии, и «виртуальной» материи – виртуальной в том смысле, что она не материализуется, но ее присутствие доказывается ее воздействием на проходящие частицы материи.

Гибель Челленджера. На 73 секунде полета вешний кормовой бак был разрушен, высвободившийся кислород и водород смешались и детонировали, вызвав огромный огненный шар, который поглотил шаттл

Все это происходило в 1973 году. Десять лет спустя Демельт поймал позитрон в ловушку и удерживал там три месяца. Таким образом он смог измерить и его магнетизм. Потребовалось только изменить направление магнитных полей на противоположные, чтобы с положительно заряженным позитроном происходило то же самое, что ранее наблюдалось с отрицательно заряженным электроном. А измерив магнетизм позитрона, он увидел, что значение совпадает со значением, полученным для электрона. Так что можно сказать, что Демельт не только поймал позитрон в ловушку, но и смог показать, что он является идеальным электрическим и магнитным зеркальным образом электрона.

Нобелевская премия по физике была вручена Демельту в 1989 году «за разработку ионной ловушки, которая сделала возможным изучение отдельного электрона (или позитрона) с крайней степенью точности».

Отметим, что только очень небольшие количества антиматерии можно хранить в так называемых магнитных бутылках (пробкотронах). Ограничительным фактором для одних позитронов или антипротонов является то, что одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, поэтому большое количество частиц (или античастиц) с одинаковым зарядом невозможно разместить вместе – силы отталкивания, действующие между ними, вскоре становятся слишком сильными для контроля полей в магнитной «бутылке». По сути «бутылка» потечет, и античастицы будут уничтожены. Можно попробовать решить эту проблему, разместив позитроны и антипротоны вместе для формирования атомов антиводорода – но тут приходит другая проблема. Атомы электрически нейтральны, а электрические и магнитные поля не могут удерживать нейтральные частицы – они практически сразу же вступают в контакт с обычной материей, например стенками сосуда. И происходит аннигиляция.