Замедлитель антипроотнов в CERN
Антиматерия — очень хрупкое вещество (точнее, антивещество). Но физики настолько хорошо научились её контролировать, что сейчас впервые в истории решили рискнуть и транспортировать небольшое количество антипротонов на расстояние в несколько сотен метров.
Антиматерию добывают в Большом адронном коллайдере, собирая облака антипротонов после столкновения пучка протонов с металлической мишенью и аккуратного замедления разлетающихся частиц, чтобы их можно было использовать в последующих экспериментах. В данном случае CERN готовится к эксперименту по аннигиляции антипротонов PUMA (anti-Proton Unstable Matter Annihilation), пишет журнал Nature.
Для проведения аннигиляции требуется доставить антипротоны с «фабрики» на место проведения соседнего эксперимента ISOLDE, где добывают редкие радиоактивные атомные ядра. Они слишком быстро распадаются, чтобы их успеть куда-то перевезти. Поэтому для эксперимента по аннигиляции придётся транспортировать именно антиматерию.
Оборудование в лаборатории физики частиц CERN для получения радиоактивных атомных ядер. Фото: CERN
Эксперимент пройдёт в лаборатории физики частиц CERN. «Антиматерия давно изучается сама по себе, но теперь её свойства достаточно хорошо известны, чтобы начать её использовать в качестве щупа для материи», — говорит Александре Обертелли (Alexandre Obertelli), физик из Технический университет Дармштадта (Германия), руководитель проекта PUMA.
Для стабилизации облака из примерно 1 миллиарда антипротонов в вакууме учёные применят ловушку из магнитного и электрического полей. Затем эту ловушку погрузят на грузовик — и перевезут на насколько сотен метров к месту проведения эксперимента ISOLDE.
На иллюстрации ниже показано, как устроена ловушка и как будет проходить в дальнейшем аннигиляция при столкновении с редкими изотопами радиоактивных элементов. Как видим, ловушка внутри сверхпроводящего магнита имеет длину 700 мм, а изотопы поступают в неё через трубку диаметром 10 нанометров. Зона столкновения изотопов с антипротоном оборудована детектором для регистрации разлетающихся частиц.
Схема эксперимента PUMA
«Возить антиматерию на грузовике — это практически научная фантастика, — говорит Чарльз Хоровиц (Charles Horowitz), специалист по теоретической ядерной физике из Индианского университета в Блумингтоне. — Это прекрасная идея».
Эксперимент PUMA
Как написано в описании европейского гранта на эксперимент PUMA, он ставится для «изучения одного из самых замечательных квантовых феноменов в ядерной физике — возникновения нейтронного гало и нейтронных оболочек в очень насыщенных нейтронами атомных ядрах. Толстые нейтронные оболочки, которые до сих пор ни разу не зафиксированы в ядрах средней массы, станут лабораторным нейтронным веществом низкой плотности. Известно также, что структура ядерной оболочки изменяется с числом протонов и нейтронов. Практически неизвестна ядерная структура очень тяжёлых ядер при Z=100 и больше, а существование новых долгоживущих тяжёлых изотопов по-прежнему остаётся открытым вопросом. Этот фундаментальный феномен, связанный с дисбалансом нейтронов и протонов в нестабильных ядрах, важен для понимания сложной природы ядер и связанных с ними астрофизических процессов».
Например, избыточное количество нейтронов в изотопе лития-11 создаёт нейтронное гало вокруг сердцевины ядра и раздувает его размер (см. иллюстрацию).
Предполагается, что те же силы, только в большем масштабе, действуют в нейтронных звёздах — именно эти силы создают насыщенную нейтронами твёрдую оболочку.
Строение нейтронной звезды
Строение ядер сверхплотных звёзд до сих пор остаётся загадкой для учёных. Но изучение свойств ядерных гало в «микрокосмосе» радиоактивных изотопов поможет приблизиться к разгадке в астрофизике.
Итак, в рамках эксперимента PUMA такие нейронные гало «прозондируют» антипротонами — и посмотрят на результат аннигиляции. Для этого к месту получения изотопов и повезут антиматерию. Правда, перед этим придётся решить несколько технических задач — нужно сконструировать оборудование для хранения миллиарда антипротонов в течение нескольких недель в ловушке при температуре на 4 градуса выше абсолютного нуля. Задача сложная, но достижимая. Учёные рассчитывают начать первые опыты по аннигиляции антивещества с нейтронными гало радиоактивных ядер в 2022 году.
На грузовике достаточно антивещества и для других экспериментов, не только в CERN, так что существует возможность, что впоследствии фургончик с антиматерией поедет и в другие регионы Европы.
«Как только они смогут взять миллиард антипротонов и удерживать их в течение нескольких недель, то к этому присоединится много других экспериментов. У людей появятся новые идеи, что можно здесь сделать, — говорит физик по антиматерии Хлои Мальбруно (Chloé Malbrunot) из CERN. — Я думаю, что это действительно откроет новую область исследований».
Источник
