10:02 21-02-11 | inauka.ru
http://www.inauka.ru/science/article105266.html

Многолетние усилия одной из международных групп (коллабораций) ученых, работающих в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНа) увенчались успехом: им удалось получить холодные атомы антиводорода и сохранить их в ловушке в течение 130 миллисекунд. Это долго: до сих пор атомы антиводорода (а их получают с 1995 года, см. «Химию и жизнь», 2003, № 1) жили гораздо меньше. Когда ученые отладят методику и накопят много атомов антиводорода, они смогут провести тонкие эксперименты, связанные с фундаментальными свойствами нашей Вселенной. Возглавляет эту коллаборацию Джеффри Хангст из датского Орхуского университета.

«Да, Джеффри и его коллеги по эксперименту ALPHA достигли большого успеха, — поясняет член-корреспондент РАН Игорь Николаевич Мешков (Объединенный институт ядерных исследований, Дубна). — Получить холодные атомы антиводорода и удержать их в ловушке в течение длительного времени — огромный шаг вперед. Ведь атомы — совсем не то, что ядра, которые успешно получают вот уже более полувека. Они нейтральны, у них вокруг ядра (у антиводорода это антипротон) вращаются позитроны. Значит, можно исследовать свойства антивещества — химические, физические. Основное направление — изучение спектра антиводорода. Его нужно измерить с большой точностью, чтобы выяснить, существуют ли какие-то различия между антиводородом и водородом. Для такого исследования требуется получить не менее тысячи атомов, причем они должны быть очень холодными, то есть практически не двигаться. Иначе из-за эффекта Доплера в измерения будет вкрадываться неопределенность, которая способна скрыть искомый эффект. Джеффри и его коллеги хотят еще изучить и возможность антигравитации антивещества, но сегодня такой эксперимент на грани технических возможностей.

К сожалению, пока что хорошо охладить атомы антиводорода, а речь идет о температурах в доли кельвина, не удается. Дело в том, что основной метод, применяемый для получения сверххолодных атомов — использование лазерного излучения — с антиводородом не работает. Причина банальна: этот эффект основан на поглощении атомом света лазера, а для антиводорода нужны кванты слишком большой энергии. Для эффективного торможения его атома требуется ультрафиолетовый лазер, а таких лазеров достаточной мощности нет. Однако это технические трудности, которые конечно же будут так или иначе преодолены. Кстати, на водороде подобные эксперименты группа Т.В.Хэнша из Института Макса Планка в Гаршинге провела с фантастической точностью: энергия атомарного перехода между основным, 1S, и первым возбужденным, 2S, уровнями измерена с относительной точностью 1,8х10-14.

Что касается возможности работы с антигелием-3, ядра которого тоже давно научились получать, то этот путь вряд ли приведет к успеху, ведь вероятность рождения таких ядер гораздо меньше, чем вероятность получения антипротонов. А для изготовления атомов их требуется еще охладить, соединить с позитронами, снова охладить — на каждом этапе значительная часть антивещества теряется. Пока получают считанные атомы холодного антиводорода, об атомах антигелия не стоит говорить».

Краткая история антивещества

А теперь расскажем подробнее об экспериментах с атомами антиводорода.

История антивещества начинается с 30-х годов XX века. Сначала Поль Дирак получил уравнения, из которых следовало: у каждой частицы должна быть античастица. Потом, в 1932 году, американский физик Карл Андерсон открыл первую стабильную античастицу, позитрон, в космических лучах (за что получил Нобелевскую премию 1936 года). Затем позитроны обнаружили и в продуктах распада радиоактивных элементов: если число протонов в ядре какого-то изотопа оказывается слишком большим, то один из них превращается в нейтрон, а электрический заряд ядра снимается за счет вылета позитрона. Сейчас радиоактивные элементы и служат источниками позитронов. Если окажется, что антиводород хоть слегка, но не похож на водород, то завеса тайны над проблемой дефицита антиматерии во Вселенной приоткроется.   

Следующую стабильную античастицу пришлось ждать долго. Лишь в 1955 году, после того, как в Калифорнийском университете построили беватрон — ускоритель, способный разгонять протоны до 6,2 ГэВ, были получены антипротоны. Схема этого, а также всех последующих экспериментов с античастицами, такова: разогнанные протоны попадают в мишень и порождают ливень вторичных частиц. В сущности, они берутся «из ничего» — это воплотившаяся в вещество энергия протона (вспомним эйнштейновское Е=mc2). Поскольку частицы рождаются парами «частица-античастица», среди них были и протоны с антипротонами. Спустя год были открыты антинейтроны, а в 1965 году группа Леона Ледермана на Брукхэйвенском ускорителе получила антидейтроны. Для этого исходные протоны потребовалось разогнать уже до 30 ГэВ. Следующий успех выпал на долю советским физикам под руководством члена-корреспондента АН СССРЮ.Д.Прокошкина: в 1970 году на ускорителе в Протвино они зарегистрировали ядра антигелия-3, а спустя три года там же получили и ядра радиоактивного антитрития (при распаде он дает тот же самый антигелий-3). На этом период «бури и натиска» в деле создания антиматерии завершился: мечты продвинуться дальше и получить следующее ядро, антилегий-4, не сбылись. Всю эту историю по горячим следам описал В.В.Станцов своей знаменитой серии статей «Элемент №...» («Химия и жизнь», 1975, № 1).

Материя-антиматерия: различие или сходство?

Фабрики по производству антипротонов работали, античастицы стали использовать в медицине (позитронная томография, протонная хирургия), и в конце концов уровень ускорительной техники оказался достаточным для того, чтобы приступить к изготовлению настоящего антивещества — то есть присоединить к антиядру антиэлектроны и посмотреть, что будет. Посмотреть же интересно, во-первых, на спектры. Если окажется, что антиводород хоть слегка, но не похож на водород, то завеса тайны над проблемой дефицита антиматерии во Вселенной приоткроется. А во-вторых, антиматерия может оказаться «анти» во всех смыслах, то есть обладать еще и свойством антигравитации, отрицательной массой.

Над этой отрицательной массой сломано немало копий. Дело в том, что формально подставив отрицательную массу в законы Ньютона, можно получить парадоксальный результат. Закон тяготения ожидаемо превратится в закон отталкивания антимассы от массы, а вот с законами механики будет твориться нечто за пределами здравого смысла: сила, отталкивающая антимассу, станет ее, наоборот, притягивать. Но этот парадокс можно разрешить. Законы Ньютона держатся на принципе эквивалентности гравитационной массы (которая стоит в законе тяготения) и инерционной, присутствующей в законах механики. Однако этот принцип не считается доказанным — просто не найдено свидетельств его несправедливости. Гравитация же отличается от механики, поскольку, согласно общей теории относительности Эйнштейн, ее суть — деформация пространства-времени. В соответствии с принципами хорошо разработанной в физике твердого тела теории упругости, частицы, создающие деформации одного знака (в простейшем случае — всестороннего сжатия или расширения), притягиваются, а разного — отталкиваются. Свет, проходя рядом со звездой, отклоняется к ней, значит, масса создает деформацию сжатия. Тогда если антимасса создает деформацию растяжения (свет, проходя рядом с антизвездой, отклонится от нее), то антигравитация будет иметь место, а на механике это никак не скажется, ведь инерция с деформацией пространства никак не связана. Антигравитация антиматерии способна объяснить ее исчезновение в видимой части Вселенной — гравитационные силы попросту отпихнули ее подальше от материи. Очевидно, что в таком случае заметить знак массы у античастиц невозможно до тех пор, пока не измерен знак их взаимодействия с полем тяготения Земли. А это можно сделать только с нейтральными атомами — гораздо более мощные электрические и магнитные поля, действующие на заряженные частицы, скроют слабое влияние гравитации.

Воодушевленные примерно такими соображениями, физики в девяностых годах XX века приступили к созданию антивещества. Первый успех пришел к ученым из ЦЕРНа — в 1995 году они получили первые девять атомов антиводорода. В 1997 году их американские коллеги из чикагской Лаборатории Энрико Ферми (Фермилаб) получили уже сотню антиатомов. Впрочем, в обоих экспериментах эти атомы летели со скоростью, близкой к скорости света, и проводить с ними тонкие эксперименты было невозможно. Тем временем в ЦЕРНе сломали старый ускоритель, и возникла пауза. Лишь в 2002 году опыты возобновились и были получены первые медленные атомы антиводорода. При этом производительность антиводородной фабрики выросла во много раз — до нескольких тысяч антиатомов в минуту. Однако использовать эти антиатомы для исследования тоже было нельзя: они очень быстро сталкивались со стенками ускорителя и аннигилировали. Нужна была хорошая ловушка, способная удержать антиатомы «подвешенными» в вакууме. И здесь есть серьезные трудности.

Ловушка для антиатомов

Вот как выглядит схема получения холодных антиатомов в ЦЕРНе. После того как быстрые протоны врезаются в мишень, они порождают множество частиц, в том числе протоны и антипротоны. С помощью магнитного поля отрицательно заряженные антипротоны переводят в Антипротонный замедлитель, — синхротрон, где они довольно долго вращаются в спадающем во времени магнитном поле и тормозятся в электрическом поле до энергии в 5,3 МэВ. При этом антипротоны приходится охлаждать, используя специальные методы. Первый из них - электронное охлаждение, был предложен и разработан Г.И.Будкером с учениками в Новосибирском институте ядерной физики в 60—70-х годах. Второй метод — стохастического охлаждения, предложенный несколько позднее будущим нобелевским лауреатом С. ван-дер-Меером, был создан в ЦЕРНе. Сегодня оба метода — признанное орудие формирования плотных пучков в ускорителях.

Из замедлителя каждые две минуты вылетает порция в 30 млн. антипротонов. Увы, они еще слишком горячи — такая энергия соответствует скорости в 10% от скорости света и температуре в миллионы градусов. Чтобы радикально затормозить антипротоны, их пропускают сквозь алюминиевую фольгу толщиной в треть миллиметра. При столкновении с атомами алюминия половина антипротонов аннигилирует, а другая половина пролетает насквозь, расходуя часть своей энергии на нагрев фольги. Примерно сто тысяч из них сбрасывает энергию в тысячи раз, до 0,2% от скорости света. Такие антипротоны уже можно поймать в электромагнитную ловушку Пеннинга — Малмберга. Как и все прочие подобные ловушки, она построена из катушек с электрическим током и электродов: созданные ими магнитные и электрические поля заворачивают заряженные частицы и не дают им лететь дальше. Очевидно, что энергия частиц должна быть достаточно маленькой, иначе полям ловушки с ними не справиться. Эта ловушка заполнена холодными электронами: сталкиваясь с ними, антипротоны охлаждаются дальше. После отделения электронов в ловушке остается несколько тысяч антипротонов с температурой 300—400 К.

А в соседней аналогичной ловушке накапливаются и охлаждаются позитроны, которые получаются при распаде натрия-22. Их температура оказывается 60—80 К. Затем стенку из полей между облаками обоих типов частиц снимают, эти облака сливаются, и начинается образование атомов антиводорода: антипротон захватывает позитрон, и тот, излучая энергию, постепенно достигает нижнего энергетического уровня, занимая основной уровень 1S в атоме антиводорода. Тут и возникает главная проблема охотников за антиматерией: атом-то становится электрически нейтральным и легко проходит сквозь электромагнитные стенки ловушки для заряженных частиц. Значит, нужно ставить снаружи еще одну ловушку, для нейтральных атомов. Собственно, ее созданием и занимались ученые после первых успехов 2002—2005 годов.

Вообще-то ловушки для нейтральных частиц стали известны не вчера. Принцип такой ловушки для нейтрона был предложен В.В.Владимирским еще в 1960 году. В ней магнитное поле сформировано так, что оно возрастает во всех направлениях от центра ловушки - так называемый «minimum В» (латинской буквой В в физике принято обозначать магнитное поле). Вскоре участники термоядерного проекта из Института атомной энергии им. И.В.Курчатова (ныне Курчатовский институт) во главе с М.С.Иоффе предложили конструкцию такой ловушки.

Не пойманные в ловушку атомы антиводорода аннигилируют на стенках камеры (фото: CERN)

Это цилиндр, на краях которого расположены две запирающие катушки с током, а вдоль его стенки проложены четыре проводника — «палки Иоффе», причем в соседних проводниках ток течет в противоположных направлениях. В центре цилиндра возникает минимум магнитного поля, а к стенкам вдоль оси оно нарастает. Хотя эту ловушку придумали для удержания плазмы, она подошла и для нейтральных атомов: у любого из них в магнитном поле возникает магнитный момент. В зависимости от его ориентации атом будет двигаться либо туда, где поле сильнее, либо в обратную сторону.

В 1983 году Дэвид Притчард из Массачусетского технологического университета предложил применить ловушку Иоффе для удерживания холодных атомов. Притчард известен не только своим участием в комиссии по изучению случаев похищения людей инопланетянами: его ученики Вольфганг Кеттерле и Эрик Корнелл получили Нобелевскую премию 2001 года по физике за работу со сверххолодными атомами и создание из них конденсата Бозе — Эйнштейна. Поэтому вопрос о том, как подвесить такие атомы в пространстве и не дать им соприкоснуться с горячей стенкой ловушки, был для него совсем не праздным. Для антивещества задача принципиально не отличается: ему тоже нельзя соприкасаться со стенкой, иначе произойдет аннигиляция.

Атомы антиводорода и можно собирать в ловушке Иоффе — Притчарда, где они повиснут, не касаясь стенок камеры. Главное условие — энергия атомов должна быть очень мала. Магнит с силой в 1 Тл удержит атомы водорода с температурой не выше 0,67 К. Поскольку сила самых мощных современных электромагнитов составляет несколько тесла, следует ожидать, что в такую ловушку попадут атомы антиводорода с температурой в 2—4 К. Магниты, которые сейчас применяют в экспериментах ЦЕРНа, удерживают атомы не горячее 1 К. Не исключено, что причина здесь не в цене более мощных магнитов, а в том, что ловушка Иоффе — Притчарда сильно портит конфигурацию полей в расположенной внутри нее ловушке для заряженных частиц.

При средней температуре получающихся антиатомов под двести Кельвинов очевидно, что лишь малая их толика сможет задержаться в ловушке, остальные же сразу после образования разлетятся и погибнут, столкнувшись со стенкой. И действительно, после объединения облаков позитронов и антипротонов на стенках ловушки фиксируют две-три тысячи актов аннигиляции атомов антиводорода. После окончания этой массовой аннигиляции можно было посмотреть, что же осталось в ловушке. Для этого ее открыли спустя 130 миллисекунд после образования антиатомов. Собравшийся в ней антиводород вылетел и, достигнув стенки, тоже аннигилировал. С высокой надежностью, отбросив все сомнительные сигналы (а они могли идти и от космических лучей, и от случайно сохранившихся антипротонов), участники эксперимента насчитали 38 случаев аннигиляции от пойманных в ловушку атомов. Немного, но начало положено.

Исправлено 3AXAP (24.02.11 17:24)