Несколько лет назад членам коллаборации ALICE в ЦЕРН удалось с рекордной точностью измерить массы ядер антивещества и даже оценить энергию, связывающую в них антипротоны с антинейтронами. Пока значимой разницы между этими параметрами в веществе и антивеществе найдено не было, но не это главное. Важно, что в последние несколько лет для измерений и наблюдений становятся доступны не только античастицы, но и антиядра и даже антиатомы. А значит, самое время разобраться с тем, что такое антиматерия и какое место ее исследования занимают в современной физике.
Давайте мы попробуем угадать некоторые из ваших первых вопросов про антиматерию.
А правда, что на основе антиматерии можно сделать сверхмощную бомбу? А что, в ЦЕРНе в самом деле накапливают антивещество, как показано в фильме Ангелы и демоны, и что это очень опасно? А правда, что антиматерия будет исключительно эффективным топливом для космических перелетов? А есть ли хоть доля правды в идее о позитронном мозге, которым Айзек Азимов в своих произведениях наделил роботов?...
Не секрет, что для большинства антиматерия ассоциируется с чем-то исключительно (взрыво)опасным, с чем-то подозрительным, с чем-то будоражащим воображение фантастическими обещаниям и огромными рисками — отсюда и подобные вопросы. Признаемся: законы физики всего этого прямо не запрещают. Однако реализация этих идей настолько далека от реальности, от современных технологий и от технологий ближайших десятилетий, что прагматический ответ простой: нет, для современного мира это всё неправда. Разговор на эти темы — это просто фантастика, опирающаяся не на реальные научные и технические достижения, а на их экстраполяцию далеко за пределы современных возможностей. Если хотите серьезно пообщаться на эти темы серьезно, приходите ближе к 2100 году. А пока что давайте поговорим о реальных научных исследованиях антиматерии.
Что такое антиматерия?
Наш мир устроен так, что для каждого сорта частиц — электронов, протонов, нейтронов, и т.п. — существуют античастицы (позитроны, антипротоны, антинейтроны). Они обладают той же массой и, если они нестабильны, тем же временем полураспада, но противоположными по знаку зарядами и другими числами, характеризующими взаимодействие. У позитронов та же масса, что у электронов, но только положительный заряд. У антипротонов — заряд отрицательный. Антинейтроны электрически нейтральны, так же как и нейтроны, но обладают противоположным барионным числом и состоят из антикварков. Из антипротонов и антинейтронов можно собрать антиядро. Добавив позитронов, мы создадим антиатомы, а накопив их — получим антивещество. Это всё и есть антиматерия.
И тут сразу есть несколько любопытных тонкостей, про которые стоит рассказать. Прежде всего, само по себе существование античастиц — это огромный триумф теоретической физики. Эта неочевидная, а для некоторых даже шокирующая идея была выведена Полем Дираком теоретически и поначалу воспринималась в штыки. Более того, даже после открытия позитронов многие все равно сомневались в существовании антипротонов. Во-первых, говорили они, Дирак придумал свою теорию для описания электрона, и не факт, что для протона она сработает. Вот, например, магнитный момент протона в несколько раз отличается от предсказания теории Дирака. Во-вторых, следы антипротонов долго искали в космических лучах, и что-то ничего не нашлось. В-третьих, они утверждали, — буквально повторяя наши слова, — что если есть антипротоны, тогда должны существовать и антиатомы, антизвезды и антигалактики, и мы бы обязательно их заметили по грандиозным космическим взрывам. Раз мы этого не видим, то наверно потому, что антивещества не бывает. Поэтому экспериментальное открытие антипротона в 1955 году на только что запущенном ускорителе Беватрон стало достаточно нетривиальным результатом, отмеченным Нобелевской премией по физике за 1959 год. В 1956 году на том же ускорителе был открыт и антинейтрон. Рассказ про эти поиски, сомнения, и достижения можно найти в многочисленных исторических очерках, например, вот в этом докладе или в недавней книге Франка Клоуза Antimatter.
Впрочем, надо отдельно сказать, что здравое сомнение в чисто теоретических утверждениях всегда полезно. Например, утверждение, что античастицы имеют ту же массу, что и частицы — это тоже теоретически полученный результат, он следует из очень важной CPT-теоремы. Да, на этом утверждении построена современная, многократно проверенная на опыте физика микромира. Но всё равно это равенство полезно проверять экспериментально: кто знает, может быть так мы нащупаем границы применимости теории.
Другая особенность: не все силы микромира относятся одинаково к частицам и античастицам. Для электромагнитных и сильных взаимодействий разницы между ними нет, для слабых — есть. Из-за этого различаются некоторые тонкие детали взаимодействий частиц и античастиц, например, вероятности распада частицы A на набор частиц B и анти-A на набор анти-B (чуть подробнее про различия см. в подборке Павла Пахова). Эта особенность возникает потому, что слабые взаимодействия нарушают CP-симметрию нашего мира. А вот почему так получается — это одна из загадок элементарных частиц, и она требует выхода за пределы известного.
А вот еще одна тонкость: у некоторых частиц так мало характеристик, что античастицы и частицы вообще не отличаются друг от друга. Такие частицы называются истинно нейтральными. Это фотон, бозон Хиггса, нейтральные мезоны, состоящие из кварков и антикварков одинакового сорта. А вот с нейтрино ситуация пока непонятная: может быть, они истинно нейтральные (майорановские), а может — нет. Это имеет важнейшее значение для теории, описывающей массы и взаимодействия нейтрино. Ответ на этот вопрос реально станет крупным шагом вперед, потому что поможет разобраться с утройством нашего мира. Эксперимент пока ничего однозначного на этот счет не сказал. Но экспериментальная программа по нейтринным исследованиям настолько мощная, экспериментов ставится так много, что физики постепенно приближаются к разгадке.
Где она, эта антиматерия?
Античастица при встрече со своей частицей аннигилирует: обе частицы исчезают и превращаются в набор фотонов или более легких частиц. Вся энергия покоя превращается в энергию этого микровзрыва. Это самое эффективное превращение массы в тепловую энергию, в сотни раз превосходящее по эффективности ядерный взрыв. Но никаких грандиозных природных взрывов мы вокруг себя не видим; антиматерии в заметных количествах в природе нет. Однако отдельные античастицы вполне могут рождаться в разнообразных природных процессах.
Проще всего рождать позитроны. Самый простой вариант — радиоактивность, распады некоторых ядер за счет положительной бета-радиоактивности. Например, в экспериментах в качестве источника позитронов часто используется изотоп натрия-22 с периодом полураспада два с половиной года. Другой, довольно неожиданный природный источник — грозовые разряды, во время которых иногда детектируются вспышки гамма-излучения от аннигиляции позитронов, а это значит, что позитроны там как-то родились.
Антипротоны и другие античастицы рождать труднее: энергии радиоактивного распада для этого не хватает. В природе они рождаются под действием космических лучей высоких энергий: космический протон, столкнувшись с какой-то молекулой в верхних слоях атмосферы, порождает потоки частиц и античастиц. Однако это происходит там, наверху, до земли антипроторы почти не долетают (о чем не знали те, кто в 40-х годах искал антипротоны в космических лучах), да и в лабораторию этот источник антипротонов не принесешь.
Во всех физических экспериментах антипротоны производят «грубой силой»: берут пучок протонов большой энергии, направляют его на мишень, и сортируют «адронные ошметки», которые в больших количествах рождаются в этом столкновении. Сортированные антипротоны выводят в виде пучка, а дальше либо разгоняют их до больших энергий для того, чтобы сталкивать с протонами (так работал, например, американский коллайдер Тэватрон), либо, наоборот, замедляют их и используют для более тонких измерений.
В ЦЕРНе, который может по праву гордиться долгой историей исследований антивещества, работает специальный «ускоритель» AD, «Антипротонный замедлитель», который как раз и занимается этой задачей. Он берет пучок антипротонов, охлаждает их (т.е. притормаживает), и дальше распределяет поток медленных антипротонов по нескольким специальным экспериментам. Кстати, если хотите посмотреть на состояние AD в реальном времени, то церновские онлайн-мониторы это позволяют.
Синтезировать антиатомы, даже простейшие, атомы антиводорода, уже совсем трудно. В природе они вообще не возникают — нет подходящих условий. Даже в лаборатории требуется преодолеть множество технических трудностей, прежде чем антипротоны соизволят соединиться с позитронами. Проблема в том, что антипротоны и позитроны, вылетающих из источников, все еще слишком горячие; они просто столкнутся друг с другом и разлетятся, а не образуются антиатом. Физики эти трудности всё же преодолевают, но довольно хитрыми методами (почитайте, как это делается в одном из церновских экспериментов ASACUSA).
Что известно про антиядра?
Все антиатомные достижения человечества относятся только к антиводороду. Антиатомы других элементов до сих пор не синтезированы в лаборатории и не наблюдались в природе. Причина простая: антиядра создавать еще труднее, чем антипротоны.
Единственный известный нам способ создавать антиядра — это сталкивать тяжелые ядра больших энергий и смотреть, что там получается. Если энергия столкновений велика, в нем родятся и разлетятся во все стороны тысячи частиц, в том числе, антипротоны и антинейтроны. Антипротоны и антинейтроны, случайно вылетевшие в одном направлении, могут объединиться друг с другом — получится антиядро.
Метод простой, но не слишком неэффективный: вероятность синтезировать ядро таким способом резко падает при увеличении числа нуклонов. Легчайшие антиядра, антидейтроны, впервые наблюдались ровно полвека назад. Антигелий-3 увидели в 1971 году. Известен также антитритон и антигелий-4, причем последний был открыт совсем недавно, в 2011 году. Более тяжелые антиядра до сих пор не наблюдались.
К сожалению, антиатомов таким способом не сделаешь. Антиядра не только рождаются редко, но и обладают слишком большой энергией и вылетают во все стороны. Пытаться их отловить на коллайдере, чтобы затем отвести по специальному каналу и охладить, нереально.
Впрочем, иногда достаточно внимательно отследить антиядра на лету, чтобы получить кое-какую интересную информацию об антиядерных силах, действующих между антинуклонами. Самая простая вещь — это аккуратно измерить массу антиядер, сравнить ее с суммой масс антипротонов и антинейтронов, и вычислить дефект масс, т.е. энергию связи ядра. Это недавно проделал эксперимент ALICE, работающий на Большом адронном коллайдере; энергия связи для антидейтрона и антигелия-3 в пределах погрешности совпала с обычными ядрами.
Другой, более тонкий эффект изучил эксперимент STAR на американском коллайдере тяжелых ионов RHIC. Он измерил угловое распределение рожденных антипротонов и выяснил, как оно меняется, когда два антипротона вылетают в очень близком направлении. Корреляции между антипротонами позволили впервые измерить свойства действующих между ними «антиядерных» сил (длину рассеяния и эффективный радиус взаимодействия); они совпали с тем, что известно про взаимодействие протонов.
Продолжение читайте в следующей части!