Ученые будут возить антиматерию грузовиками

Научно-исследовательский совет ЦЕРН одобрил разработку компактных экспериментов BASE-STEP и PUMA, с помощью которых физики смогут перевозить антипротоны от места их производства к другим установкам. Как сообщается в пресс-релизе на сайте организации, использовать транспортировку антиматерии на практике планируется уже в 2023 году.

Еще в первой половине прошлого века физики выяснили, что у частиц привычной нам материи есть партнеры — античастицы, которые обладают теми же массой и спином, но противоположными характеристиками остальных взаимодействий (например, позитрон — античастица электрона — несет положительный заряд той же величины).

На сегодняшний день ученые обнаружили античастицы практически у всех известных частиц (в некоторых случаях частица и античастица совпадают), и даже научились искусственно синтезировать антиматерию. На фабрике антиматерии в ЦЕРН это происходит на регулярной основе — для этого исследователи сталкивают ускоренный до высоких энергий пучок из обычных протонов с мишенью из тяжелых атомов. В результате рождается множество вторичных частиц и античастиц, из которых физики выделяют антипротоны.

Однако с точки зрения исследований важно не только получить антиматерию, но и сохранить ее для последующих экспериментов — например, чтобы изучать поведение связанных систем античастиц (антиядер или даже антиатомов) или детальнее разобраться в различиях между веществом и антивеществом и понять, почему наблюдаемого во Вселенной вещества гораздо больше, чем антивещества. Проблема состоит в том, что антиматерию постоянно окружает обычное вещество, а при встрече со своей частицей-партнером античастицы аннигилируют. Чтобы предотвратить это, физики хранят антиматерию при высоком вакууме, то есть в очень разреженной среде, и удерживают частицы от столкновений со стенками контейнера при помощи электромагнитных полей.

Тем не менее, даже если античастицы удалось уберечь от аннигиляции, вблизи места их производства невозможно расположить все требуемые эксперименты, а организовывать отдельные фабрики антиматерии около каждой установки слишком затратно. Разрешить эту проблему можно, если научиться транспортировать антиматерию от одной установки к другой — о таких планах ЦЕРН заявлял еще в феврале 2018 года.

Для разных экспериментальных целей физики предложили два вида установок по перевозке антиматерии — BASE-STEP и PUMA. Первая из них — это модификация уже существующего эксперимента BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment), который занимается поиском несоответствия между характеристиками частиц и античастиц. Установка будет удерживать антипротоны с помощью ловушек Пеннинга — устройств, в которых однородное магнитное поле ограничивает радиальное движение, а квадрупольное электрическое поле — продольные смещения. BASE-STEP будет использовать две таких ловушки: одну для приема и высвобождения антипротонов, а другую — для их хранения.

Планируется также оснастить эксперимент автономной охладительной системой на основе жидкого гелия — это позволит использовать BASE-STEP, не заботясь о внешнем охлаждении в течение нескольких часов. В ЦЕРН отмечают, что установка достаточно компактна для перевозки в небольшом грузовике: продольные и поперечные размеры составят порядка метра, масса — около одной тонны.

Цель второго эксперимента, PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation), — в том, чтобы доставить антипротоны от замедлителя к установке ISOLDE (Isotope mass Separator On-Line facility), на которой производятся короткоживущие экзотические ядра (с числом нейтронов, значительно большим или меньшим числа протонов). Контейнер PUMA длиной 70 сантиметров будет удерживать антипротоны полем сверхпроводящего магнита в вакуумной камере при температуре около четырех кельвин и давлении 10^–20 бар.

Подобно BASE-STEP, внутренность установки будет разделена на две зоны: в одной антипротоны будут храниться, а в другой — взаимодействовать с экзотическими ядрами, что даст возможность собирать экспериментальные данные. При этом пытаться провести такой опыт наоборот, перевозя ядра от ISOLDE к антипротонам, было бы бессмысленно — первые очень нестабильны и распались бы за время транспортировки.

Теперь оба эксперимента одобрены руководством ЦЕРН и, вероятно, будут разработаны уже в ближайшем будущем. Ввод установок в эксплуатацию намечен на 2023 год.