Зеркало мира

Если бы мы могли извлечь всю энергию, заключенную в одном килограмме вещества, - это примерно 25 млрд. киловатт-часов, - то ее хватило бы на 100 тыс. лет непрерывного движения обычного легкового автомобиля или на один год жизни современного индустриального города средних размеров. Такие выводы получаются из всем известной формулы E=mc², которая была предложена в 1905 году Альбертом Эйнштейном и которая дает основания утверждать, что масса - это не что иное, как концентрированная форма энергии. Масса и энергия подобны «деньгам» природы: это две «валюты», которые можно перевести друг в друга по стабильному курсу: квадрату скорости света.

Однако для того, чтобы превратить энергию в материю, нужны очень высокие температуры - десятки триллионов градусов. Ученые используют гигантские ускорители, чтобы разогнать частицы (протоны, ядра атомов) до скоростей, близких к скорости света, и затем столкнуть их с веществом.

Краткая история антиматерии

В конце 1920-х годов Эрвин Шредингер и Вернер Гейзенберг создали теорию квантовой механики. Однако она имела существенный недостаток: объясняя поведение частицы, движущейся с небольшой скоростью, теория давала неверные результаты при скоростях, близких к световым (как говорят физики, релятивистским скоростям). Но в 1928 году молодому физику Полю Дираку удалось вывести формулу, описывающую движение релятивистского электрона, объединив таким образом специальную теорию относительности и квантовую механику. Эта формула принесла Дираку заслуженную Нобелевскую премию и подарила ученым еще одну головную боль. Так же как простое уравнение x²=4 имеет два корня (х=2 и х=-2), формула Дирака была верна для случая двух частиц: электрона с положительной и электрона с отрицательной энергией! Но ведь в рамках классической физики отрицательных энергий не существует! Дирак предложил следующий выход из положения. У каждой частицы есть партнер - античастица, имеющая те же свойства, но обладающая противоположным зарядом. Например, антиэлектрон, в отличие от отрицательного электрона, должен быть положительно заряженной частицей. За счет отличия знака заряда энергия античастицы и имеет противоположный знак. Нобелевская лекция Дирака стала сенсацией в мире физики и положила начало истории освоения антиматерии: ученый говорил о существовании целой антивселенной, состоящей из антивещества!

Немало любопытных и замечательных физических теорий и смелых предположений, которые, не найдя экспериментального подтверждения, канули в лету. Теорию антиматерии Дирака подобная участь миновала, так как охота за таинственным веществом дала плоды…

Еще в начале прошлого столетия Виктор Гесс открыл природный источник частиц сверхвысоких энергий - космические лучи, рожденные в глубинах космоса, которые, сталкиваясь с атомами атмосферы Земли, порождают ливни самых разнообразных частиц. В 1932 году молодой профессор Калифорнийского технологического института Карл Андерсон (Carl Anderson), изучая ливни частиц с помощью конденсационных камер, обнаружил одновременное рождение электрона и «чего-то положительного, но с массой, как у электрона». Дальнейшие исследования подтвердили обнаружение антиэлектрона, который назвали позитроном. За свое открытие Карл Андерсон получил Нобелевскую премию. На протяжении последующих 22 лет космические лучи оставались единственным источником античастиц. Однако физика ускорителей уже набирала обороты…

В 1930 году Эрнест Лоуренс (Ernest Lawrence) предложил идею циклотрона - машины, которая позволяла ускорять частицы, например протоны, до энергий в десятки миллионов электрон-вольт. Этот год принято считать датой рождения новой науки: физики высоких энергий. В 1954 году в Калифорнии запустили беватрон - ускоритель, способный разгонять протоны и сталкивать их друг с другом, достигая энергии 6,2 ГэВ (1 ГэВ=10⁹ эВ), что оптимально для поиска антипротона. Специально для этой цели группа ученых во главе с Эмилио Сегре (Emilio Segre) разработала и построила детектор. В октябре 1955 года передовица в «New York Times» сообщала: «Найдена новая частица: отрицательный протон». А в 1960 году другая группа ученых, работавшая на беватроне, открыла антинейтрон.

Таким образом, антиматерия была предложена теорией и открыта в эксперименте. Ведь протон, нейтрон и электрон - «кирпичики», из которых построено вещество. Теперь перед физиками встала задача синтезировать антиматерию, воспользовавшись этими «деталями». Необходимо было узнать, действительно ли антиматерия, как считал Дирак, является симметричным отражением материи.

В 1965 году команда физиков под руководством Антонино Зичичи (Antonino Zichicchi), используя протонный синхротрон в Европейском центре ядерных исследований, синтезировала ядро антидейтерия, состоящего из антипротона и антинейтрона. А группа ученых под руководством Леона Ледермана (Leon Lederman) на ускорителе Брукхейвенской национальной лаборатории под Нью-Йорком в том же году подтвердила открытие европейцев. В последующие годы в различных лабораториях мира, в том числе у нас в Дубне, были получены и более тяжелые антиядра: антитритий (два антинейтрона плюс один антипротон), изотопы антигелия, антибериллия и т. д. Однако во всех этих случаях речь шла о ядрах, которые имели большие энергии, вследствие чего не были способны захватить антиэлектрон, дабы физики наконец-то могли говорить о настоящем антивеществе.

В 1995 году в ЦЕРНе запустили уникальную машину: кольцо низкоэнергичных антипротонов (Low Energy Antiproton Ring - LEAR), которая позволяла замедлять антипротоны до очень небольших по меркам физиков скоростей. В конце года немецкие и итальянские физики, работавшие в этом проекте, смогли получить первые атомы антиводорода. Правда, их было всего девять, но это не помешало им стать главной новостью года физики высоких энергий. LEAR был закрыт в конце 1996 года, - физики задумали построить новую установку для вырывания у антиматерии ее сокровенных тайн - антипротонный замедлитель (Antiproton Decelerator - AD).

Фабрика антиматерии в ЦЕРНе

Уже более двадцати лет физики в ЦЕРНе используют античастицы для своих повседневных нужд. Античастицы возникают при столкновениях высокоэнергичных частиц. Затем их отбирают, изолируют и хранят для дальнейшего использования. До настоящего времени эти функции выполняли разные машины. А сейчас в ЦЕРНе построена первая «самодостаточная фабрика антиматерии» - антипротонный замедлитель, представляющий собой кольцо длиной 188 метров. Внутри составляющих кольцо труб находятся вакуумные насосы, магниты, резонаторы и электронные приборы.

Антипротоны циркулируют по трубам в условиях очень глубокого вакуума во избежание контакта с молекулами воздуха - соприкосновение материи и антиматерии вызывает мгновенную аннигиляцию. Мощные насосы поддерживают эти условия. В кольце антипротонной фабрики установлены два типа магнитов: диполи и квадруполи. Диполи - обычные двухполюсные магниты - служат для изменения направления движения пучка антипротонов, а также для удержания частиц на нужной траектории, дабы исключить их контакт со стенками труб замедлительного кольца. Квадруполи, имеющие два северных и два южных полюса, работают как линзы в оптике: они позволяют фокусировать антипротоны, уменьшая поперечные размеры пучка. Магнитное поле способно изменять направление движения частиц, но не их энергию. Для замедления частиц используется электрическое поле, создаваемое радиочастотными резонаторами. Антипротонный замедлитель имеет одну систему, «впускающую» в кольцо высокоэнергичные протоны, и одну, «выпускающую» замедленные частицы наружу - для проведения экспериментов.

Как же все это работает? В замедлитель AD поступает пучок высокоэнергичных протонов от ускорителя PS и направляется на специальную мишень из меди или иридия (эти металлы легко охлаждать). При столкновении протонов с веществом рождаются новые частицы и выделяется огромное количество энергии. В среднем лишь в одном из десяти миллионов столкновений рождается пара протон-анитпротон. За одну минуту мишень бомбардирует около 10 трлн. протонов, что дает 10 млн. антипротонов. Рождающиеся частицы разлетаются во все стороны, а кроме того, все они имеют разную энергию. Из-за этого только малую их часть удается собрать с помощью магнитов и направить циркулировать по кольцу. В процессе кругового движения антипротоны замедляются до одной десятой скорости света и выводятся наружу для экспериментов. Один такой цикл длится всего около миллионной доли секунды.

В рамках работ на антипротонном замедлителе проводится три эксперимента:

1. ASACUSA - атомная спектроскопия и столкновения с использованием медленных антипротонов.

2. ATHENA - создание антиводорода и прецизионные измерения.

3. ATRAP - получение холодного антиводорода для точной лазерной спектроскопии.

В задачи экспериментов ATHENA и ATRAP входит синтез и изучение атомов антиводорода - их получают в особых магнитных ловушках, добавляя к медленным антипротонам позитроны от радиоактивных источников. А в эксперименте ASACUSA ученые хотят синтезировать экзотические атомы, в которых вокруг протона вместо электрона будет вращаться антипротон. Подобные исследования могут помочь физикам лучше понять строение атомных систем.

Первый пробный пучок антипротонов был замедлен на «антипротонной фабрике» в конце 1999 года, а все три эксперимента начались в июне 2000 года. Уже получены первые результаты - открыты новые резонансы в ядрах антипротона и антигелия. Физики, говорят, что работа только начинается, и надеются, что скоро смогут порадовать нас парой-тройкой научных сенсаций.

Зачем это нужно?

Многим читателям может показаться, что вся эта физика «слишком далека от народа». Конечно, в настоящее время изучение антиматерии является областью чисто фундаментальных исследований, которые дают новые знания о строении и происхождении нашего мира. Но не следует забывать, что в будущем эти знания наверняка окажутся полезны и в обыденной жизни, вспомним лазеры, которые сейчас есть практически в каждом доме.

В 1940-50-х годах физики синтезировали ряд изотопов, при распаде излучавших позитроны. Медики и физиологи проявили интерес к античастицам, и в середине 1950-х годов М. Тер-Погосян (Michel Ter-Pogossian) выдвинул идею использования этих элементов для исследования больных методом, который впоследствии получил название позитронной томографии (Positron Emission Tomography - PET). В тело пациента вводится смесь, содержащая биологически активное вещество, часть атомов которого заменена радиоактивными изотопами (такими как углерод-11, азот-13, кислород-15 и фтор-18), излучающими позитроны. Время жизни этих элементов - от нескольких минут до часов. Позитроны, испущенные радиоактивными атомами, почти сразу аннигилируют с электронами близлежащих атомов. При этом в противоположных направлениях - в соответствии с законом сохранения импульса - излучаются два фотона, которые регистрируются размещенными вокруг пациента детекторами, позволяя врачу узнать, куда попало введенное вещество. Технологию позитронной томографии удалось воплотить в жизнь в начале 1970-х годов, а сейчас метод PET успешно используется медиками для обследования пациентов с самыми разными заболеваниями, вызывающими биохимические изменения в организме. Наибольшее применение эта технология нашла при выявлении заболеваний головного мозга. Кроме того, ее активно используют фармацевты для изучения воздействия новых лекарств на организм человека. Также PET помогает ученым в исследованиях, касающихся работы мозга.

А еще антиматерия может стать замечательным средством хранения энергии - ведь в одном грамме антивещества заключена огромная сила! Первыми это поняли писатели-фантасты, познакомившие нас с двигателями на антиматерии. Принцип их работы прост: берем кусок антиматерии, помещаем его в магнитные ловушки и небольшими порциями подаем в «камеру сгорания» позади звездолета антивещество вперемешку с обычным веществом. В процессе аннигиляции выделяется огромное количество фотонов, ставим на задней части корабля идеальное зеркало и - летим!.. Подсчитано, что такому кораблю потребуется около 20 кг антивещества, чтобы пересечь нашу галактику.

Фантастика фантастикой, а космические специалисты тоже возлагают большие надежды на подобный двигатель. Загвоздка в том, что для путешествий в пределах Солнечной системы такому движку требуется никак не меньше десятка-другого граммов антивещества. Сегодня же все вместе взятые ускорители на Земле вырабатывают менее 10 нг антивещества в год, - на таком количестве топлива далеко не уедешь…

Однако не все так печально. Инженеры NASA и Университета Пенсильвании представили на суд коллег новую и довольно практичную идею. В предлагаемом ими проекте космического двигателя антипротонная плазма, содержащаяся в специальной магнитной ловушке, периодически сжимается электрическими и магнитными полями. Одновременно в плазму добавляется смесь из дейтерия и гелия-3 с небольшой примесью урана-238. В результате взаимодействия антиматерии с ядрами урана возникает огромное число нейтронов, что приводит к реакции ядерного синтеза между дейтерием и гелием. Таким образом, антиматерия в этой схеме играет роль «запала», энергию же дает самый обычный ядерный синтез.

Подобный двигатель потребует совсем немного антиматерии: от 1 до 100 мкг в зависимости от того, до какой скорости нужно разогнать космический аппарат. Инженеры утверждают, что двигатель позволит развивать скорость до 1000 км/с, то есть полет к границе Солнечной системы займет всего пять лет. Конечно, в ближайшие годы этот способ (который, кстати говоря, носит название antimatter initiated microfusion AIM - инициированный антиматерией микросинтез) - такая же фантастика, как и прочие движки на антиматерии. Однако не стоит отчаиваться: фабрика антиматерии в ЦЕРНе работает, и как знать, может быть, физики придумают дешевый и эффективный способ получения топлива для звездолетов (сейчас эффективность производства антиматерии очень мала: в нее превращается менее 0,00000001% затраченной энергии).

За всем этим с интересом наблюдают военные: какое там ядерное оружие, - что может быть лучше бомбы на антиматерии, мгновенно выделяющей гигантскую энергию при небольшой массе «изделия». Физики уже давно подозревают, что у военных имеются свои разработки в этой области. Но у всех одна и та же проблема - нет достаточного количества антивещества.

Что касается совсем уж отдаленного будущего, антиматерия - идеальное средство хранения энергии. Так что не удивляйтесь, если лет через пятьдесят или сто в «КомпьюFeрре» будут тестировать новые антиаккумуляторы для переносных компьютеров, а в новостях передадут, что межзвездный аппарат, построенный совместными усилиями НПО «Энергия» и NASA, достиг Альфы Центавра и сообщает, что расход антигорючего в норме. Тут мы скажем «ага!» и подумаем, что надо бы не забыть заправить свой автомобиль новой порцией антибензина на ближайшей заправке. Или антизаправке?..

Врезка: Большой взрыв и антиматерия

[i39628]