Фабрики антиматерии

В книге об антиматерии нельзя не рассказать об известных на весь мир лабораториях, которые занимаются ее изучением, получением, хранением и благодаря которым мы во многом знаем о ней и о том, какую пользу она может принести человечеству. Мы их уже неоднократно упоминали в этой книге, а сейчас пришло время для подробного рассказа.

В первую очередь это ЦЕРН – Европейский центр ядерных исследований (или Европейская организация по ядерным исследованиям), крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий. Основная цель ЦЕРН – эксперименты в области физики частиц. Правда, после появления книги Дэна Брауна «Ангелы и демоны» многие люди, которые раньше не знали о существовании ЦЕРН, считают, что это лаборатория, которая делает антиматерию. «Делает антиматерию» – правильно, но многое не соответствует действительности. Однако популярность автора и книги заставила многих поверить в ложные истины.

ЦЕРН располагается неподалеку от границы Швейцарии и Франции. Бо́льшая часть площадок (две основные и нескольких мелких) расположена на территории Швейцарии, вблизи города Мейрин, но есть площадки и во Франции. Большой комплекс зданий включает в себя рабочие кабинеты, лаборатории, производственные помещения, склады, залы для конференций, жилые помещения, столовые. Ускорители расположены как на поверхности (старые), так и под землей, на большой глубине, превышающей 100 метров (более современные).

Лаборатория физики элементарных частиц в ЦЕРН близ Женевы является самым большим в мире исследовательским центром. На глубине более 100 м расположены огромные ускорители элементарных частиц, которые позволяют создавать условия, близкие к первым секундам после Большого взрыва

Соглашение об образовании ЦЕРН было подписано в Париже в 1953 году представителями 12 европейских стран (Бельгия, Дания, Германия, Франция, Греция, Италия, Норвегия, Швеция, Швейцария, Голландия, Великобритания, Югославия). Но «днем рождения» организации считается 29 сентября 1954 года. ЦЕРН была создана, так как ведущие европейские физики считали, что подобная организация необходима для физических экспериментальных исследований. Кроме объединения европейских ученых подобная организация была призвана разделить возрастающую стоимость физических экспериментов в области физики высоких энергий между государствами-участниками. В настоящее время в ЦЕРН входит 20 стран-членов. Ни США, ни Россия членами ЦЕРН не являются, но имеют статус наблюдателей вместе с Канадой, Индией, Китаем, также наблюдателями выступают ЮНЕСКО и Европейская комиссия. В ЦЕРН постоянно работают около 2500 человек, еще около 8000 физиков и инженеров из 580 университетов и институтов из 85 стран участвуют в международных экспериментах ЦЕРН и работают там временно.

Среди наиболее крупных и важных открытый лаборатории следует упомянуть открытие W- и Z-бозонов, определение количества типов нейтрино, создание первых атомов антиматерии (это были атомы антиводорода). Для обывателя же самым главным достижением ЦЕРН является Интернет. Идея зародилась в недрах этой лаборатории – для связывания документов посредством гипертекстовых ссылок и для облегчения обмена информацией между группами исследователей, занимающихся проведением экспериментов на Большом электрон-позитронном коллайдере. В экспериментах на этом коллайдере, как мы говорили выше, участвовали сотни ученых со всего мира, и им требовался быстрый, часто мгновенный обмен данными. Антиматерия уничтожает материю, но опосредованно создала Всемирную паутину. Первоначально проект использовался только во внутренней сети ЦЕРН. В 1991 году были созданы первые в мире веб-сервер, сайт и браузер. 30 апреля 1993 года ЦЕРН объявила, что Интернет будет открыт для всех пользователей.

Но главным в ЦЕРН, конечно, является комплекс ускорителей. Основной проект в данное время – это Большой адронный коллайдер, о котором слышали даже далекие от физики люди. Его строительство началось в 2001 году, хотя идея впервые прозвучала в 1984-м. Пробный запуск Большого адронного коллайдера транслировался в прямом эфире европейского информационного телеканала Euronews 10 сентября 2008 года – и первый пучок успешно преодолел 27-километровое кольцо, о котором мы рассказывали выше.

«Большим» он назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 метров; «адронным» – потому что ускоряет адроны, то есть тяжелые частицы, состоящие из кварков, а «коллайдером» – от английского слова, означающего «сталкивать», потому что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках. Адронный коллайдер находится в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный, для которого шахта, собственно говоря, и строилась. Туннель проходит под территориями Швейцарии и Франции, на расстоянии от 50 до 175 метров от поверхности Земли, причем кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно ее поверхности.

Для удержания, коррекции и фокусировки пучков в настоящее время используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние. Имеется 4 основных и 3 вспомогательных детектора. Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырех точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно собирают статистику. Скорость частиц в Большом адронном коллайдере на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов.

Большой адронный коллайдер уже позволил и еще позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет ряд теорий. В ХХ веке, в особенности в его конце, и в начале нынешнего столетия, было выдвинуто огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Среди них можно назвать модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается все еще недостаточно для создания одной-единственной теории. С другой стороны, все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными.

Поскольку на основе этих теорий можно сделать конкретные предсказания для Большого адронного коллайдера, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Предлагается осуществлять и поиск параллельных вселенных. По мнению ученых, для этих целей необходимо создание мини-черных дыр в Большом адронном коллайдере, и это направление является наиболее интересным для обывателей. Правда, для работы в этом направлении требуется некоторая модернизация коллайдера.

Но Большой адронный коллайдер еще не вышел на проектную энергию и светимость (считается, что он будет работать до 2034 года), тем не менее принято решение к 2020 году провести модернизацию каскада предварительных ускорителей, а также ряд других работ, что позволит заметно повысить светимость коллайдера. Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов. Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и сам Большой адронный коллайдер. В планах на очень отдаленную перспективу обсуждается демонтаж большинства деталей имеющегося коллайдера и использование освободившегося тоннеля и инфраструктуры для коллайдера нового поколения. В 2014 физики ЦЕРН начали подготовку к строительству новых коллайдеров, мощность которых будет в 10 раз больше.

Кроме Большого адронного коллайдера и Большого электрон-позитронного коллайдера, которые мы уже упоминали, в ЦЕРН имеются Протонной синхротрон, Протонный суперсинхротрон, линейные ускорители и ряд других ускорителей.

В этой книге мы уже упоминали двух сотрудников лаборатории, удостоенных Нобелевской премии, – Карло Руббиа и Симона Ван дер Меера. Также ее получил Жорж Шарпак за изобретение и создание детекторов элементарных частиц.

* **

Возможно, до 1995 года в истории нашей Вселенной не существовало ни одного атома антиматерии. Когда позитроны или антипротоны в космических лучах встречаются друг с другом, они двигаются так быстро, что скорее продолжают путь своими отдельными путями, а не задерживаются где-то, чтобы соединиться в атомы. В 1995 году все изменилось – именно в тот год команда ученых из ЦЕРН получила первую партию атомов антиводорода.

Антипротоны, которые циркулировали в Антипротонном кольце низкой энергии, встречались с атомными ядрами тяжелого элемента. Любые антипротоны, которые проходили достаточно близко, могли и создать пару электрон-позитрон, и выжить сами. В редких случаях антипротон связывался с позитроном и получался атом антиводорода.

ЦЕРН сделала заявление о получении девяти антиатомов в начале 1996 года, и новость облетела весь мир. Об этом писали газеты, говорили по радио и телевидению. Однако антиатомы существовали очень недолго, и это означало, что их нельзя использовать для дальнейших исследований. Достижением было то, что их вообще удалось получить, хотя жили они какую-то долю секунды перед тем, как быть уничтоженными окружающей материей.

Антипротонное кольцо низкой энергии прекратило работать в 1996 году, и его заменила машина, предназначенная для производства, а затем замедления движения античастиц с целью производства антиматерии. Эту машину назвали «Антипротонный деселератор» (или замедлитель), в нем магниты направляли антипротоны, а мощные электрические поля замедляли их до относительно низкой скорости, примерно 10 % скорости света. Фактически Антипротонный деселератор – это реинкарнация Антипротонного аккумулятора (накопителя), который мы описывали выше. В нем только существенно улучшили вакуумную систему и добавили охлаждающий механизм, который ранее использовался в Антипротонном кольце.

Из каждой партии антипротонов, которые поступают из Антипротонного деселератора, во время эксперимента под названием ATHENA (сокращение от английского «Антиводородный аппарат» – AnTiHydrogEN Apparatus) улавливалось примерно 10 000 антипротонов в магнитном бункере, где их движение еще более замедлялось, до нескольких миллионных скорости света. Следующий этап – их смешение с 75 миллионами «холодных» позитронов, которые собираются в результате распада радиоактивных изотопов, улавливаемых во второй ловушке. Наконец, позитроны и антипротоны переводятся в третью, «смешивающую» ловушку. И именно здесь формируются «холодные» атомы антиводорода.

Откуда известно, что экспериментаторы, работающие в проекте ATHENA, добились успеха? Когда позитрон и антипротон соединяются для формирования нейтрального атома антиводорода, он сбегает из ловушки электромагнитных полей. Затем антиатом ударяется обо что-то в окружающем пространстве, позитрон и антипротон аннигилируются по отдельности с электроном и протоном соответственно. Бесспорное доказательство существования антиводорода получается как раз благодаря обнаружению и улавливанию этой одновременной аннигиляции антипротона и позитрона.

В 2002 году об Антипротонном Деселераторе заговорили снова после того, как в результате еще одного эксперимента под названием ATRP (а-ловушка) впервые удалось получить десятки тысяч атомов антиводорода. Этого количества достаточно, чтобы ученые смогли приступить к изучению газа из антиматерии. Экспериментаторы, участники проекта ATHENA, увидели первые четкие сигналы, свидетельствующие о существовании антиводорода, в августе 2002 года – как раз когда праздновалось 100 лет со дня рождения Поля Дирака. Через месяц участники проекта ATRAP объявили о том, что впервые заглянули внутрь антиатома. В 2011 году было объявлено, что участники эксперимента ALPHAA смогли семь раз сохранять антиатомы на протяжении 1000 секунд. Если удастся сохранять большее количество антиатомов большее количество времени, то это откроет возможности для измерений свойств антиводорода. Ученые надеются, что в конце концов станет возможно сравнить, как водород и антиводород ведут себя в электромагнитных и гравитационных полях. Любое различие между материей и антиматерией, независимо от того, насколько оно мало, будет иметь глубокие последствия для нашего понимания природы и Вселенной. Однако потребуется произвести гораздо большие количества антиатомов – в миллиарды раз большие – и также научиться их хранить, если мы хотим получать полезную энергию из антиматерии и воплотить в жизнь мечты о космических путешествиях. Лучшей фабрикой антиматерии на нашей планете в настоящее время является Антипротонный деселератор.

* **

Также в этой книге мы не можем не рассказать про «Фермилаб», которую также уже неоднократно упоминали, – Национальную Ускорительную Лабораторию имени Энрико Ферми, которая расположена недалеко от Чикаго, в штате Иллинойс, США. Это лаборатория Министерства энергетики США, она специализируется на исследованиях в области физики высоких энергий, астрофизике и ускорительных технологиях.

Решение о строительстве ускорительной лаборатории было принято в 1967 году президентом США Линдоном Джонсоном. В 1974 году ее назвали в честь Энрико Ферми, выдающегося итальянского физика, основателя научных школ в Италии и США, которого мы тоже упоминали. Первым директором стал Роберт Уилсон, известный физик и участник Манхэттенского проекта.

В настоящее время Фермилаб занимается коллайдерными экспериментами, экспериментами с фиксированной мишенью, с нейтрино, астрофизическими опытами и наблюдательными проектами, у нее есть свои ускорительные программы. Самая известная исследовательская установка Фермилаб – коллайдер Теватрон, который закончил свою работу 30 сентября 2011 года. Он расположен в подземном кольцевом туннеле длиной 6,28 км. На 1 января 2007 года этот коллайдер был ускорителем с самой большой в мире энергией пучков частиц и светимостью, но позднее, в 2009 году, уступил первенство Большому адронному коллайдеру.

Следующий крупнейший в мире коллайдер может быть построен в Фермилаб – если удастся решить вопрос с финансированием. Главной заявленной целью является разработка и строительство электрон-позитронного коллайдера, но маловероятно, что это произойдет в ближайшие годы. Конгресс США (а Фермилаб финансируется из американского бюджета, в отличие от ЦЕРН, средства на которую выделяют все страны-участники) сократил финансирование в четыре раза, уже уволено около ста сотрудников и предстоит очередное сокращение персонала. Так что прорывов в изучении антиматерии скорее следует ожидать от ЦЕРН.