PRO Антиматерию

Большой электрон-позитронный коллайдер позволил взглянуть на то, что представляла собой Вселенная, когда энергия застывала, превращаясь в материю и антиматерию. Возникло много сотен типов частиц и античастиц. Например, природе показалось, что одного электрона, как единственной возможной частицы, удаленной от ядра и находящейся у внешней границы атома, недостаточно, и она создала еще две более тяжелые версии. Это мюон, который в 200 раз тяжелее, и тау – в 4000 раз тяжелее. Они идентичны с электроном по электрическому заряду и, насколько мы можем судить, во всем другом, кроме массы. И так же как у электрона есть свой двойник – античастица под названием позитрон, так и у каждой из упомянутых других частиц тоже есть положительно заряженная античастица.

То же самое можно сказать и о кварках. Протоны и нейтроны состоят из верхних и нижних кварков. Есть две более тяжелые версии верхнего кварка и две более тяжелые версии нижнего кварка. И у каждого из них есть свой антикварк.

Однако благодаря Большому электрон-позитронному коллайдеру были обнаружены частицы, показывающие, что материя и антиматерия, несмотря на симметричное производство, могут вести себя асимметрично во время своей короткой жизни и во время гибели. Если мы сможем найти объяснения этому и понять, как это происходит, мы сможем ответить на вопрос, почему материя и антиматерия взаимно не уничтожили друг друга сразу же после создания миллиарды лет назад и почему во Вселенной сегодня кое-что остается вместо ничего. Понимание глубокой связи и поиск мельчайших различий между материей и антиматерией – это то, чем занимаются и будут заниматься ученые.

Через некоторое время началась тенденция к снижению размеров ускорителей, и в последние годы были построены относительно небольшие коллайдеры в Стэнфордском университете, в Японии и в лаборатории Фраскати, откуда все начиналось, чтобы электроны и позитроны сталкивались в специально выбранных условиях, где, как надеются ученые, могут раскрыться какие-то различия между материей и антиматерией.

Тот факт, что эти аппараты вообще работают, показывает поразительную симметрию между материей и антиматерией. Пучки электронов и позитронов путешествовали по Большому электрон-позитронному коллайдеру снова и снова и вовремя приходили на место встречи, что свидетельствует об одинаковой реакции на направляющие магнитные силы. Это результат точно уравновешенных электрических зарядов и идентичных масс, которые заставляют их идти по предварительно установленным путям в противоположных направлениях. Точно так же мы можем сравнить время, которое нужно протону или антипротону для завершения круга в магнитном поле, и из этого мы знаем о схожести протона и антипротона.

Будкер, Руббиа и Ван дер Меер

Бруно Тушек укротил позитроны, а Герш Будкер решил посмотреть, не сможет ли он сделать то же самое для протонов, а затем и антипротонов.

Протоны и антипротоны почти в две тысячи раз массивнее электронов и позитронов, соответственно, энергия, которая требуется для их создания, тоже должна быть больше.

Однако производство антипротонов не является проблемой, если у вас достаточно доступной энергии, и впервые это было сделано в 1955 году – выше мы рассказывали про «Беватрон». Управление ими было большой проблемой. Вначале нужно выстрелить пучком протонов в кусок металла. Примерно в одном случае на 250 000 столкновений кинетическая энергия преобразуется в массу в форме новой пары антипротон-протон. Антипротоны двигаются на скорости, близкой к скорости света, во все стороны. Магнитные поля, которые способны сфокусировать позитроны и отправлять их на стабильные орбиты, не смогли управлять дикими протонами, которые летели вбок от предполагаемых путей, врезались в стенки туннеля и уничтожались.

Требовалось что-то для их укрощения. На профессиональном языке это называется «охлаждение», и электронное охлаждение протон-антипротонных пучков является одним из достижений Будкера: он провел антипротоны сквозь облака холодных электронов. Хотя электроны – это материя, а антипротоны – антиматерия, они не представляют опасности друг для друга: электроны уничтожаются своей античастицей, позитроном, а антипротонам угрожают только протоны или нейтроны. Постепенно судорожный неровный ход антипротонов выровнялся, и их энергия, или «тепло», было передано электронам. К 1974 году Будкер преуспел в создании и охлаждении антипротонов, но он не получал их в достаточном количестве для сильного пучка.