Антиматерия отправилась в путь: физики впервые перевезли самую хрупкую субстанцию на грузовике

Физики впервые успешно перевезли антиматерию на грузовике — это достижение позволяет им изучать неуловимое вещество с беспрецедентной точностью и в конечном счёте может помочь объяснить, почему материя доминирует во Вселенной.

Короткое, строго контролируемое путешествие по кампусу Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве продемонстрировало, что антиматерию — одно из самых хрупких веществ, известных науке, — можно перемещать, не разрушая. Эта возможность позволяет учёным перевозить антиматерию в более тихие лаборатории по всей Европе, где сверхчувствительные эксперименты меньше подвержены помехам, чем в самом ЦЕРНе.

«Это открывает, в принципе, целую новую вселенную для прецизионных измерений за пределами ЦЕРНа», — сказал Стефан Ульмер, представитель коллаборации BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment), проводившей эксперимент, в недавнем видео.

В чём загадка антиматерии?

Согласно современным теориям, Большой взрыв должен был произвести равное количество материи и антиматерии. Если бы это было так, они полностью аннигилировали бы друг друга, оставив после себя тёмную пустую Вселенную. Вместо этого наблюдаемая Вселенная, как ни странно, почти полностью состоит из материи, и физики считают, что любое измеримое различие между материей и антиматерией может дать ключ к разгадке этой тайны.

ЦЕРН производит антиматерию уже десятилетиями с помощью высокоэнергетических столкновений частиц на своей «фабрике антиматерии». Но то же самое мощное оборудование, используемое для создания частиц, также генерирует крошечные магнитные флуктуации, которые могут нарушать чрезвычайно точные измерения, которые пытаются сделать учёные. Перемещение антиматерии в более стабильные условия могло бы помочь, но её транспортировка печально известна своей сложностью.

Когда антиматерия вступает в контакт с обычной материей, обе мгновенно уничтожаются во вспышке энергии. Чтобы предотвратить это, учёные удерживают частицы антиматерии с помощью тщательно настроенных электрических и магнитных полей в почти идеальном вакууме — условия, которые трудно поддерживать даже в стационарной лаборатории, не говоря уже о движущемся транспортном средстве.

Чтобы проверить, возможна ли транспортировка, Ульмер и его команда загрузили 92 антипротона (античастицы протонов) в переносную ловушку и проехали с ними около 8 километров по территории ЦЕРН.

Внутри устройства частицы находились во взвешенном состоянии в почти идеальном вакууме и удерживались на месте электрическими и магнитными полями, что не позволяло им касаться стенок контейнера. Команда отслеживала частицы на протяжении всей поездки и сообщила, что они оставались стабильными, несмотря на вибрации дороги и движение, согласно заявлению ЦЕРН.

Даже в худшем случае эксперимент представлял небольшой риск. Количество задействованной антиматерии было крайне мало, и её аннигиляция высвободила бы лишь незначительное количество энергии. По данным ЦЕРН, даже вся антиматерия, когда-либо произведённая на этом объекте, выработала бы достаточно энергии, чтобы питать одну лампочку всего в течение нескольких минут.

За пределами Стандартной модели

Успешный тест немедленно не меняет способ изучения антиматерии, но демонстрирует, что её транспортировка технически осуществима. Это, в свою очередь, открывает возможность перемещения антипротонов в более тихие лаборатории по всей Европе, такие как Университет Генриха Гейне в Дюссельдорфе (Германия), который находится примерно в восьми часах езды от ЦЕРН. Там более спокойные условия могут обеспечить более точные измерения.

Такие измерения могли бы помочь учёным обнаружить даже малейшие различия между материей и антиматерией. Если эти различия существуют, они могут указать на то, почему материя стала доминировать во Вселенной, дать ключ к физике за пределами Стандартной модели и в конечном счёте объяснить, почему вообще что-либо существует — от звёзд и планет до людей.

«Мы находимся в начале захватывающего научного путешествия, которое позволит нам ещё глубже понять антиматерию», — сказал в заявлении Готье Амель де Моншено, директор ЦЕРН по исследованиям и вычислениям.

Почему это важно: от лаборатории к открытой дороге

Успех эксперимента BASE стал результатом более чем десяти лет разработок. Главной проблемой было создать портативную ловушку (ловушку Пеннинга), которая была бы одновременно достаточно лёгкой для транспортировки и достаточно мощной, чтобы удерживать антипротоны от соприкосновения со стенками. Команда Ульмера использовала сверхпроводящие магниты, охлаждаемые жидким гелием до температуры минус 269 градусов по Цельсию, всего на 4 градуса выше абсолютного нуля. Эти магниты создают поле в 100 000 раз сильнее магнитного поля Земли, эффективно «подвешивая» частицы.

«Представьте, что вы пытаетесь удержать песчинку в центре комнаты с помощью невидимых струн, а затем садитесь в машину и едете по ухабам, — объясняет Ульмер. — Вот с чем мы столкнулись. Но мы сделали это».

Следующий этап: Дюссельдорф и за его пределами

Уже сейчас планируется следующая, более амбициозная транспортировка: из ЦЕРН в Дюссельдорф. Расстояние около 700 километров, время в пути — 8–9 часов. Учёные из Университета Генриха Гейне построили специальную лабораторию с виброизоляцией и экранированием от магнитных полей, где они надеются измерить магнитный момент антипротона с точностью в миллиардные доли процента.

«Разница между материей и антиматерией может быть невероятно мала, — говорит доктор Ютта Вальц, член команды BASE. — Чтобы её обнаружить, нам нужна абсолютная тишина — и магнитная, и механическая. В ЦЕРНе из-за работающих ускорителей это невозможно. В Дюссельдорфе — да».

А что, если что-то пойдёт не так?

Несмотря на заверения ЦЕРН о безопасности, общественность иногда задаётся вопросом: не может ли перевозка антиматерии привести к катастрофе? Физики успокаивают: энергия, заключённая в 92 антипротонах, ничтожно мала. Даже если вся антиматерия, когда-либо созданная человечеством, аннигилирует мгновенно, её энергии хватит лишь на то, чтобы вскипятить чайник. Для сравнения: одна граммовый кусочек антиматерии при аннигиляции выделил бы энергию, эквивалентную взрыву атомной бомбы в Хиросиме, но создание такого количества антиматерии потребовало бы миллиардов лет работы ускорителя.

Новая эра в физике?

Успешная транспортировка открывает двери для коммерческого использования антиматерии — например, в медицине. Уже сейчас позитроны (антиэлектроны) используются в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), но производятся они на месте. В будущем портативные ловушки могли бы доставлять античастицы в больницы и исследовательские центры по всему миру.

Но главная цель остаётся фундаментальной: понять, почему мы существуем. «Мы живём во Вселенной, которая состоит из материи, — говорит Ульмер. — Но законы физики говорят, что нас не должно быть здесь. Антиматерия — это не просто экзотическая штуковина. Это зеркало, в которое мы смотрим, чтобы понять, почему мир выглядит именно так, а не иначе».

Пока что антиматерия совершила свою первую короткую поездку. Но это — первый шаг к путешествию, которое может навсегда изменить наше понимание реальности.