Alter ego материи
По утверждениям группы
ученых-физиков из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН),
в результате многолетнего эксперимента под кодовой аббревиатурой
ATHENA им наконец удалось получить "ощутимое" количество (около 50
тыс.) атомов антиводорода.
Антиводород - элемент, представляющий собой зеркальное
отражение обычного водорода. Его ядро состоит из антипротона
("близнеца" протона, обладающего противоположным, т. е.
отрицательным, зарядом), вокруг которого вращается позитрон -
электрон с положительным зарядом.
Впервые образование таких атомов как будто было зафиксировано в
1995 году. Участники конкурирующего церновского проекта ATRAP
получили несколько десятков короткоживущих
позитронно-антипротонных пар, которые были классифицированы
(предположительно) как атомы антиводорода. Однако единого мнения в
физическом сообществе по этому поводу до сих пор нет.
Дело в том, что ученые не могут непосредственно наблюдать эти
атомы: об их мимолетном присутствии в нашем нормальном мире можно
лишь предполагать на основании "посмертных свидетельств" - едва
образовавшись, позитронно-антипротонные пары тут же аннигилируют с
обычным веществом. При столкновении антипротонов с протонами
получаются пи-мезоны, позитроны же умирают при встрече с
электронами, оставляя после себя специфическое гамма-излучение (и
то и другое фиксируется специальными кристаллическими
детекторами).
Ни о каком "неспешном изучении" физических свойств таких
антиатомов пока говорить не приходилось, ведь образованию
антипротонов сопутствуют сверхвысокие энергии. Поэтому для
получения свидетельств существования в природе этих частиц ученым
необходимо было резко замедлить антипротоны.
Устройство, замедляющее антипротоны (накопительное кольцо) и
получившее название "антипротонный деселератор", сконструированное
в ЦЕРНе, в феврале 2002 года было протестировано в новой серии
экспериментов, проведенных участниками проекта ATRAP. Однако
попытки ATRAP поймать неуловимый антиводород успехом не
увенчались. Теперь лидерство в антиводородной гонке, похоже,
захватили их коллеги и конкуренты из ATHENA.
Как утверждает руководитель проекта ATHENA Джеффри Хангст, для
получения пресловутых 50 тыс. атомов антиводорода физикам пришлось
предварительно "наштамповать" около полутора миллионов
антипротонов. При помощи вышеупомянутого накопительного кольца эти
антипротоны замедлялись, и самые ленивые из них захватывались
специальной электромагнитной ловушкой. Одновременно в другой
ловушке аккумулировались позитроны - побочный продукт
радиоактивного излучения. В финальной фазе эксперимента медленные
антипротоны и позитроны смешивались в третьей магнитной ловушке,
температура которой всего на 15 градусов превышала уровень
абсолютного нуля. В этой последней ловушке некоторые из
антипротонов и позитронов соединялись в атомы антиводорода
(свидетельством чего были все те же "посмертные" пи-мезоны).
Комментируя заявление, сделанное ATHENA, официальный
представитель проекта ATRAP Джеральд Гебриэлси выразил сомнение по
поводу достоверности результата (50 тыс. "плененных" антиатомов),
упирая на то, что "наблюдения процесса образования пи-мезонов не
могут служить веским доказательством предшествовавшего этому
рождения атомов антиводорода". Однако авторы эксперимента полны
энтузиазма, они довольны результатами проделанной работы и
намерены продолжать исследования.
Это достижение, конечно, если эти количества антивещества
действительно были зарегистрированы, может стать одним из
крупнейших научных успехов и повлечь за собой целый ряд
экспериментов по проверке основополагающих постулатов современной
физики. Наиболее провокационный вариант развития событий, активно
обсуждаемый сегодня в различных СМИ, связан с возможным
обнаружением в этих опытах несовпадения тех или иных физических
характеристик атомов водорода и антиводорода. Такой результат, с
высокой вероятностью, приведет к кардинальному пересмотру всего
комплекса теоретических наработок, сделанных наукой в ХХ веке.
Кроме того, умеренная асимметрия между свойствами вещества и
антивещества поможет решить одну из самых таинственных загадок
космологии: почему наблюдаемая нами сегодня Вселенная состоит
только из вещества, тогда как, согласно теории Большого взрыва, в
начальной точке отсчета пространства и времени количество вещества
и антивещества было одинаковым.
Как известно, античастицы могут "жить" только при полном
отсутствии контакта с частицами "обычного" вещества - любое
столкновение частицы и античастицы должно приводить к аннигиляции,
исчезновению этой пары, с образованием электромагнитного излучения
в виде фотонов или иных квантов физического поля. И если бы
где-нибудь во Вселенной (или за ее пределами) существовало
"значительное количество" антивещества, свидетельством этого было
бы мощное аннигиляционное излучение, приходящее на Землю из
области соприкосновения вещества и антивещества. Однако до сих пор
астрофизикам не удалось обнаружить ничего подобного. Впрочем, это
не может нас не радовать. В противном случае Вселенная
представляла бы собой безжизненное царство тотальной
электромагнитной радиации.
Легендарное уравнение
Сама идея о том, что наряду с "нормальным" веществом в природе
может и должно существовать и антивещество, возникла у физиков
немногим более 70 лет назад. Изобретателем антивещества был
английский ученый-теоретик Пол Дирак, который в 1928 году вывел
уравнение, описывающее квантово-механическое поведение электрона
при релятивистских скоростях, т. е. скоростях, близких к скорости
света. Несмотря на некоторые изначальные сомнения в своей правоте,
Дирак впоследствии неоднократно с гордостью отмечал, что это
уравнение объясняет большую часть физики и всю химию.
Необходимость в таком уравнении диктовалась тем, что созданная
несколькими годами ранее Эрвином Шредингером и Вернером
Гейзенбергом квантовая теория, согласно которой атом и его
элементарные составляющие трактовались как "малые дискретные
величины" (кванты), хорошо работала лишь для медленно движущихся
частиц. Уравнение Дирака практически идеально примиряло квантовую
теорию с эйнштейновскими законами специальной теории
относительности, однако содержало один весьма странный казус. У
него было два решения. Наряду с отрицательно заряженным электроном
уравнение также описывало поведение положительно заряженной
частицы с аналогичной массой - "антиэлектрона".
Ввиду того, что единственная известная к тому времени
положительная частица, протон, обладала массой, в две тысячи раз
большей, чем электрон, Дирак предположил, что второе неизвестное в
его уравнении - новая частица с приставкой "анти". Более того, он
рискнул пойти еще дальше и позднее заявил, что такого рода
античастицы должны существовать не только у электрона, но и у всех
прочих элементарных частиц. Столь смелое умозаключение Дирака во
многом основывалось на том, что экспериментальное подтверждение
существования антиэлектрона пришло на удивление быстро - всего
через год (причем автор открытия, Карл Андерсон, молодой профессор
Калифорнийского технологического института в Пасадене, даже не был
знаком с новой теорией английского коллеги).
Андерсон пытался разобраться с тем, что представляют собой так
называемые космические лучи. Эти лучи, впервые обнаруженные в
начале ХХ века Виктором Хессом, - регулярный поток частиц высокой
энергии, главным образом протонов и альфа-частиц, падающих на
границу земной атмосферы из космического пространства (первичное
излучение), а также рожденный ими при прохождении сквозь атмосферу
поток разнообразных вторичных частиц. Американский ученый
фотографировал "ливни", образованные этими лучами в специальной
конденсационной камере (камере Вильсона), помещенной в магнитное
поле. Заряженные частицы движутся в магнитном поле по дуге
окружности, причем частицы с зарядами разных знаков отклоняются
полем в противоположные стороны. Наряду с хорошо известными к тому
времени следами быстрых электронов Андерсон обнаружил на
фотографиях следы, оставленные "чем-то, имеющим ту же массу, что и
электрон, но обладающим положительным зарядом". Промучившись над
этой загадкой около года, он пришел к выводу, что таинственные
частицы - это антиэлектроны. Он назвал их позитронами, т. е.
частицами с положительным зарядом.
Вскоре его открытие было подтверждено экспериментами Оккьялини
и Блэкетта, и уже в 1936 году Андерсон получил за "поимку
позитрона" Нобелевскую премию (Дирак стал нобелевским лауреатом
тремя годами ранее). В том же году Андерсон в космических лучах
обнаружил еще одну пару "частица-античастица" - положительный и
отрицательный мюоны, однако их правильная классификация физиками
была проведена намного позже.
Экспериментально обнаружить другой важнейший кирпичик антимира,
антипротон, удалось через 23 года после открытия позитрона.
Главным препятствием в деле поимки антипротона стала нехватка
энергетических мощностей. Для получения искомой частицы требуется
энергия, в несколько тысяч раз превышающая энергию, необходимую
для образования позитронов. Если рождение электрон-позитронных пар
происходит при прохождении сквозь вещество электронов, ускоренных
в электрическом поле с напряженностью один МэВ, то для рождения
антипротонов надо было придумать способ разогнать протоны в поле
напряженностью в несколько ГэВ.
В 1954 году такой ускоритель протонов ("Беватрон") с
максимальной энергией в 6,3 ГэВ создан в Беркли (Калифорния), и
спустя год группа физиков под руководством Эмилио Сегре и Оуэна
Чемберлена заявила о долгожданном открытии отрицательного протона.
В 1959-м Сегре и Чемберлен получили за антипротон заслуженную
Нобелевскую премию, а еще через год другая группа исследователей,
работавших на "Беватроне" (Корк, Ламбертсон, Пиччионе и Венцель)
объявила о регистрации специальными детекторами антинейтрона -
частицы, которая, как и нейтрон, имеет нулевой электрический заряд
и отличается от своего "нормального собрата" лишь знаком
магнитного момента и так называемого барионного заряда.
Преуспев в поимке всех трех "базовых античастиц" (позитрона,
антипротона и антинейтрона), физики всерьез задумались над
возможностью получить из этих элементарных составляющих антиатомы.
Интерес к антивеществу подогревался еще и тем, что, согласно
ключевому постулату тогдашней физики, между частицами и
античастицами должна существовать полная симметрия - совпадение
всех физических характеристик их поведения в различных процессах.
Однако ряд опытов, проведенных в 50-60-е годы прошлого века,
показал, что при некоторых специфических взаимодействиях (прежде
всего - слабом, отвечающем за радиоактивный распад ядер) поведение
частиц и их антиподов несколько отлично друг от друга.
Нетронутым остался краеугольный камень квантовой теории поля, а
равно и ее более поздней теоретической надстройки - Стандартной
модели физики частиц, так называемой CPT-теоремы (одним из ее
авторов был Вольфганг Паули). Теорема эта постулирует, что, если
одновременно провести три преобразования - зарядового сопряжения C
(замены частиц античастицами), зеркального отражения Р
(пространственной инверсии) и обращения времени T (временной
инверсии) - все уравнения "нормальной физики" будут работать и для
процессов, характеризующих взаимодействия античастиц.
Одно из наиболее очевидных следствий CPT-теоремы - равенство
масс соответствующих частиц и античастиц. Подтверждение этого
"частного вывода" при сравнении масс электронов и позитронов, а
равно протонов и антипротонов, было получено неоднократно. Но для
дальнейшей верификации теоремы необходимо протестировать ее на
"более сложном" уровне - атомном. Идеальная система, позволяющая
сделать такую проверку, - атом антиводорода, который состоит из
одного антипротона и одного позитрона (антиэлектрона). Согласно
теореме CPT, энергетические спектры водорода и антиводорода также
должны совпадать.
В 1965 году две независимые группы исследователей, американская
- под руководством Леона Ледермана и европейская, возглавляемая
Антонино Зикики, проводившие эксперименты на синхротронном
ускорителе Брукхэйвенской национальной лаборатории (Нью-Йорк) и
протонном синхротроне Европейского центра ядерных исследований,
получили первое антиядро - антидейтрон (связанное состояние
антипротона и антинейтрона). В 1969 году группа советских физиков
под руководством Юрия Прокошкина в экспериментах на серпуховском
протонном ускорителе зарегистрировала ядра антигелия, состоящие из
двух антипротонов и одного антинейтрона. Однако принципиальная
задача - получение простейшего водородного антиатома - вплоть до
последнего десятилетия ХХ века оставалась нерешенной.
Неуловимые антиатомы
Главной проблемой, затруднявшей получение атомов антиводорода,
было отсутствие эффективной технологии "массового производства"
антипротонов. В то время как создание мощных потоков позитронов
благодаря разнообразию и относительной простоте экспериментальных
методов их получения довольно быстро стало рутиной (уже в конце
60-х в Европе и в США построено несколько электрон-позитронных
коллайдеров), ловить антипротоны оказалось намного труднее. Эти
античастицы рождались при сверхвысоких энергиях, а потому, не
успев возникнуть, они тут же аннигилировали с "обычным веществом".
Созданное в 1982 году в ЦЕРНе специальное низкоэнергетическое
антипротонное кольцо (LEAR) позволило "несколько охладить" их
энергию (примерно в десять раз). Однако даже в этом кольце
рождавшиеся антипротоны обладали энергией, эквивалентной миллионам
градусов по Цельсию. Потратив более десяти лет на разработку
технологии захвата антипротонов специальными магнитными ловушками,
немецко-итальянская группа под кодовым наименованием TRAP,
возглавляемая Вальтером Элертом, в 1995 году сумела
зарегистрировать формирование девяти антиатомов водорода. Прожив
всего 40 наносекунд, эти антиатомы аннигилировали, и
засвидетельствовать их недолгое существование в нашем мире физикам
удалось лишь по тем следам, которые оставили на кремниевых
микрополосковых линиях пи-мезоны - продукты столкновений
антипротонов с протонами. В 1996 году схожие результаты получили в
чикагской Fermilab, где удалось детектировать несколько десятков
искомых антиатомов. Впрочем, ни о каких измерениях физических
характеристик столь короткоживущих объектов ни в том, ни в другом
эксперименте не могло быть и речи.
В том же 1996 году руководство ЦЕРНа из-за финансовых проблем
решило закрыть LEAR: чтобы субсидировать строительство нового
Большого адронного коллайдера (LHC) приходилось избавляться от
всех побочных проектов. И, быть может, голубая мечта
физиков-экспериментаторов проверить на "антиатомном уровне"
базовые постулаты Стандартной модели еще долго оставалась бы
недостижимой, если бы не Япония, неожиданно проявившая интерес к
исследованиям свойств антивещества. Японское правительство
профинансировало восстановление производственной базы этих
экспериментов (к слову сказать, ушло на это всего 5 млн долларов).
Уже в 1997-м в ЦЕРНе началось строительство нового объекта -
Антипротонного деселератора (AD), иначе говоря, замедлителя этих
"чрезмерно шустрых" античастиц.
Революция впереди
Богатый опыт, накопленный экспериментаторами за долгие годы
работы на предшественнике AD антипротонном кольце LEAR, позволил
им серьезно усовершенствовать технологию поимки антипротонов.
Применение оригинальных схем маршрутизации антипротонов,
генерируемых при столкновении потока протонов с иридиевой мишенью,
привело к резкому сокращению промежуточных замедляющих этапов.
Физики достигли колоссального прорыва в "температурном вопросе".
Во время своего путешествия по деселератору антипротоны сначала
тормозятся при помощи специфических микроволновых импульсов (т. н.
стохастическое охлаждение), а затем параллельно с ними включается
пучок низкоэнергетических ("холодных") электронов, и последние по
принципу теплообменника принимают на себя часть энергии
античастиц.
Длительность одного "цикла замедления" составляет всего около
минуты. Пучок антипротонов, скорость которых составляет уже
примерно одну десятую скорости света, направляется в специальную
магнитную ловушку. Там антипротоны охлаждаются до температуры 15
градусов выше абсолютного нуля и замедляются до скорости несколько
сот метров в секунду. Далее "отмороженные" антипротоны поступают в
вакуумную камеру и там наконец встречаются с полученными при
радиоактивном распаде изотопа натрия-22 позитронами.
Эта схема экспериментов применяется сегодня двумя
конкурирующими группами физиков в ЦЕРНе - ATHENA и ATRAP. Оба
проекта поставили перед собой задачу создания "большого числа"
атомов антиводорода для последующего изучения их свойств при
помощи высокоточной лазерной спектроскопии. Кроме того, на базе
антипротонного деселератора существует и третий проект -
японско-европейский, под аббревиатурой ASACUSA. Он преследует
принципиально иную научную цель - получение "гибридных"
("экзотических") атомов, состоящих как из частиц, так и из
античастиц, причем антипротоны в таких атомах должны выполнять
роль электронов.
До недавнего времени научный перевес в борьбе за лидерство был
на стороне проекта ATRAP: его участники обладают большим опытом
работы с антивеществом (ранее многие из сотрудников входили в
состав группы TRAP, проводившей эксперименты на накопительном
кольце LEAR). Однако, судя по последним известиям, проект ATHENA
сумел наконец "обскакать" конкурентов (именно ему удалось получить
"те самые" 50 тысяч атомов антиводорода), хотя ATRAP и пытается
поставить под сомнение достоверность заявленных ATHENA
результатов.
Пока последний эксперимент ATHENA не получит убедительного
подтверждения, все рассуждения о грандиозных перспективах,
открывающихся благодаря ему перед экспериментальной физикой,
выглядят явно преждевременными. Ахиллесова пята исследований обоих
проектов - отсутствие прямых доказательств рождения антиатомов, и
предпринятая Хангстом масштабная PR-кампания все-таки в большей
степени рассчитана на неподготовленного слушателя. Что же касается
комментариев специалистов, многие из них ограничиваются
констатацией того, что, безусловно, сделан большой шаг в
правильном направлении, но для достижения весомого результата
таких шагов предстоит сделать намного больше.
Тигран Оганесян.
