В романе Дэна Брауна «Ангелы и демоны» злоумышленники похитили в ЦЕРНе контейнер с антиматерией, перевезли его в Рим и спрятали в самом центре города, угрожая устроить мощный взрыв. При текущем уровне развития науки провернуть такое похищение было бы невозможно. Однако в будущем такой сценарий может стать вполне реальным: уже к 2022 году физики планируют построить портативную ловушку для антиматерии и перевезти ее на несколько сотен метров до места проведения эксперимента.
Но обо всем по порядку. Прежде чем перевозить антиматерию, ее нужно синтезировать и удержать от аннигиляции с обычным веществом, что само по себе довольно непросто. Обычно антиматерию получают следующим образом. Берут обычные протоны, разгоняют их до высоких энергий и направляют пучок на мишень, состоящую из атомов тяжелых металлов. В результате рождается большое число самых разнообразных частиц, среди которых есть и антипротоны. Получившиеся частицы сортируют и отбирают из них антипротоны, которые затем используют в дальнейших экспериментах — либо их заново разгоняют, чтобы столкнуть с другими частицами, либо замедляют, чтобы «законсервировать» и измерить физические характеристики — например, массу или g-фактор. На поток этот процесс пока что поставлен только в ЦЕРНе, в котором для замедления частиц используют специально построенный «Антипротонный замедлитель» (antiproton decelerator, AD).
При желании можно синтезировать и более сложные, составные античастицы — например, антидейтроны, антитритоны или ядра антигелия-3 и антигелия-4. Если заставить их захватить позитроны (античастицы электронов), получится самый настоящий антиатом. Правда, пока ученым удалось получить только атом антиводорода, то есть связать антипротон и позитрон. Отловить и замедлить ядра более тяжелых элементов гораздо сложнее.
Как же ученые «консервируют» синтезированные античастицы? Главная проблема, которая мешает им долго жить, — взаимодействие с обычной материей, окружающей античастицы со всех сторон. Стоит протону и антипротону столкнуться, и обе частицы моментально исчезнут, оставив после себя богатое «наследство» из вторичных частиц — например, π-мезонов или К-мезонов. Чтобы предотвратить такие столкновения, физики сводят к минимуму число обычных частиц, присутствующих в установке, а затем удерживают антипротоны от столкновений со стенками с помощью электромагнитных полей. В ЦЕРНе для этого используют ловушку Пеннинга (Penning trap), напоминающую своей формой вытянутую бутылку. В такой ловушке вертикальные движения частиц (от донышка «бутылки» к горлышку) гасит квадрупольное электрическое поле, а радиальные (параллельно донышку) — однородное магнитное поле.
Впервые «поймать» атомы антивещества в подобную ловушку удалось только в 2010 году. В этом эксперименте 38 атомов антиводорода продержались всего около 173 миллисекунд. Однако затем ученые усовершенствовали технологии и время хранения атомов антивещества до привычных в обычной жизни значений. Так, уже в 2011 году им удалось продержать атомы антиводорода в течение 1000 секунд (чуть меньше 17 минут), а отдельные антипротоны сейчас могут храниться более одного года.
Правда, стоит заметить, что в течение долгого времени удавалось удерживать не более двенадцати античастиц, а максимальное достигнутое число одновременно находящихся в ловушке антипротонов не превышает десяти миллионов. Для перевозки антиматерии на дальние расстояния этого недостаточно. Тем не менее, группа ученых под руководством Александра Обертелли (Alexandre Obertelli) — руководителя проекта PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation), в рамках которого планируется организовать перевозку антиматерии, надеется увеличить число одновременно удерживаемых в ловушке Пеннинга антипротонов до одного миллиарда, сохраняя продолжительность их жизни на уровне нескольких недель. Для этого ученые планируют понизить температуру установки до четырех кельвинов и довести чистоту создаваемого в ней вакуума до значений, сравнимых с межгалактическим пространством, — то есть порядка одного атома водорода на литр. Построенную установку переместят в грузовик, загрузят антиматерией, а потом перевезут на несколько сотен метров до места проведения эксперимента. По оценкам ученых, разработка такой установки займет около четырех лет и первый образец будет готов уже к 2022 году.
Но зачем вообще ученым нужно перевозить антиматерию? В общем-то, ответ на этот вопрос простой. Экспериментальных установок по синтезу антиматерии в мире считанные единицы, а в сравнительно больших количествах ее умеют производить только в ЦЕРНе. С другой стороны, можно придумать огромное число экспериментов с использованием антиматерии, но разместить все эти эксперименты неподалеку от антипротонного замедлителя физически невозможно. Гораздо дешевле будет синтезировать антивещество в одном месте, а потом уже везти его непосредственно к той или иной экспериментальной установке.
В частности, проект PUMA, в рамках которого ученые разрабатывают ловушку для долговременного хранения внушительного числа античастиц, планирует тесно сотрудничать с экспериментом ISOLDE, который производит редкие изотопы радиоактивных элементов. В то время как обычные атомы содержат протонов и нейтронов примерно поровну, синтезируемые в этом эксперименте ядра обогащены нейтронами гораздо сильнее. Например, в ядре лития-11 содержится целых восемь нейтронов против четырех нейтронов лития-7. Из-за этого ядра начинают выглядеть очень нетипично — например, в том же литии-11 два нейтрона обращаются вокруг устойчивого образования из девяти оставшихся нуклонов. Это позволяет подробно изучить ядерные силы, сталкивая необычные ядра с другими частицами. К сожалению, время жизни таких ядер очень мало и исследовать их сложно. Столкновение с антипротонами должно разрешить эту проблему, поскольку аннигиляция с частицами антиматерии происходит очень быстро — следовательно, ядра не успеют распасться до того, как она произойдет.
Напоследок заметим, что до создания бомбы из антивещества, фигурировавшей в романе Дэна Брауна, ученым все-таки еще очень и очень далеко. Проблема не только в том, что будущая установка для удержания антиматерии будет очень большой (для поддержания сильных полей нужны мощные электромагниты) и спрятать бомбу в центре оживленного города вряд ли получится. Куда более сложной задачей будет создание такого количества антиматерии, аннигиляция которого с обычным веществом приведет к заметному выделению энергии. Все-таки мировое производство антиматерии до сих пор не превышает одной миллиардной грамма в год. В то же время, при аннигиляции одного килограмма антивещества с одним килограммом вещества выделится «всего» 1,8×1017 джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 43 мегатонн тротила, и не дотягивает до мощности советской «Царь-бомбы». Так что пока бояться совершенно точно нечего.