Виктор де Касто - PRO Антиматерию
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.
Большой электрон-позитронный коллайдер
Одной из крупнейших когда-либо построенных подобных машин стал Большой электрон-позитронный коллайдер, ускоритель заряженных частиц, который мы упомянули в начале предыдущей главы. Расскажем о нем подробнее.
Строительство ускорителя для столкновения электронов и позитронов началось осенью 1983 года в Швейцарии, неподалеку от Женевского озера. На глубине 100 метров был вырыт кольцевой туннель, длина которого в целом составила 27 километров (длина кольцевой ветки лондонского метро). Подземное кольцо пролегало под швейцарскими виноградниками, пересекало границу и уходило во Францию. Огромное кольцо состояло из восьми частей (секций), длина каждой – 3 км. Между этими закругленными секциями находились другие, прямые, длина каждой прямой секции составила 500 м. В точках пересечения встречных пучков ускорителя были построены четыре экспериментальные установки, каждая из которых состояла из большого числа детекторов частиц. Магниты направляли пучки электронов и позитронов к цели. Направляющих магнитов было три с половиной тысячи, а еще тысячу магнитов специально сконструировали для фокусировки пучков, чтобы повысить концентрацию электрических зарядов. Эксперименты завершились в 2000 году, а сам ускоритель демонтировали. В настоящее время в этом же туннеле размещен новый ускоритель – Большой адронный коллайдер.
Большой электрон-позитронный коллайдер – крупнейший инструмент для научных работ конца ХХ века. Именно в нем регулярно получали и удерживали антиматерию, а потом происходила ее аннигиляция
Эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере дали возможность всесторонне изучить бозоны и позволили показать, что слабое и электромагнитное взаимодействия имеют сходную природу и могут быть объединены в рамках одного взаимодействия – электрослабого.
