Виктор де Касто - PRO Антиматерию

Затем последовали эксперименты американского физика Эрнеста Орландо Лоуренса (1901–1958), который выдвинул идею и построил циклотрон – первый в мире циклический ускоритель – ускоритель протонов, в котором частота ускоряющего электрического поля и магнитное поле постоянны во времени, а частицы движутся по плоской развертывающейся спирали. Лоуренс предложил многократное прохождение частицами ускоряющего зазора с относительно небольшим напряжением. Для замыкания орбиты использовалось постоянное магнитное поле, для ускорения частиц – локализованное высокочастотное электрическое поле с амплитудой в несколько киловольт. Для нерелятивистских частиц частота обращения не зависит от скорости, поэтому частица, многократно проходя через ускоряющий зазор и увеличивая свою скорость и радиус вращения, все равно приходит в ускоряющий зазор в нужной фазе с электрическим полем. За это Лоуренс был удостоен Нобелевской премии в 1939 году (а патент получил еще в 1934 году). Вообще он построил несколько циклотронов, каждый раз совершенствуя предыдущий. Лоуренс оставил после себя труды по ядерной физике, ее применении в биологии и медицине и был участником создания атомной бомбы. Можно сказать, что благодаря циклотрону Лоуренса появилась современная физика высоких энергий.

Для нас самой интересной является идея Видероэ, касающаяся частиц, которые идут в противоположных направлениях по одной и той же орбите. Он хотел собирать и сталкивать такие частицы, но получил отказ, когда обратился за патентом по причине того, что хотел заниматься «очевидным». Прошло пятнадцать лет, и этим же начали заниматься другие.

Если вы выстрелите двумя частицами друг в друга, вероятность столкновения будет ниже их расхождения. Однако если вы накопите много таких частиц, а затем выстрелите двумя мощными пучками друг в друга, то разумно предполагать, что частицы из двух противоположных пучков встретятся друг с другом в одном месте и в одно и то же мгновение.

Впервые эту «очевидную» идею применили в 1959 году – американцы использовали магниты для направления электронов по двум кольцам. В одном кольце магнитные поля направляли электроны по часовой стрелке, а в другом поля изменяли, чтобы электроны шли против часовой стрелки.

Узнав об этих экспериментах, Тушек вспомнил о беседах с Видероэ, и его осенила собственная идея. У позитронов такая же масса, как у электронов, но противоположный знак электрического заряда, так что магнитное поле, которое направляет электроны, например, направо, будет отправлять позитроны налево. Вместо двух наборов магнитов, направляющих электроны в противоположных направлениях, почему бы не взять один набор магнитов, который направит электроны в одну сторону, а позитроны в другую? При условии, что у двух пучков одна и та же энергия, они пойдут одинаковыми путями, но вращение будет идти в противоположных направлениях.

В коллайдере ADA пучки частиц и античастиц вращались в одном и том же кольце навстречу друг другу, сталкиваясь в двух точках, где детекторы регистрируют результат взаимодействия. Ученые смогли успешно сохранять и электроны, и позитроны, и это стало первым в истории укрощением античастиц

В результате Тушек с коллегами спроектировал и построил коллайдер с накопительным кольцом в лаборатории Фраскати под Римом. Его назвали ADA – сокращение от итальянского Anello d’Accumulazione, «накопительное кольцо».

Затем машину перевезли в лабораторию Орсе под Парижем, где была возможность использовать более мощные электронные лучи. И именно там в 1963 году успешно сохранили мощные пучки позитронов и пропустили их сквозь пучки электронов. Время от времени отдельные электроны и позитроны в пучках сталкивались, и в результате этого мгновенно происходила аннигиляция пары и вспышка. Появлялся выбор: если хотите, можно хранить античастицы, а можете заставлять их сталкиваться, в результате чего они будут уничтожены.

В течение следующих тридцати лет ученые строили накопительные кольца для хранения электронов и позитронов все большего и большего размера, пучки имели все более и более высокую энергию. Их сталкивали друг с другом, происходила аннигиляция, и в процессе экспериментов ученые поняли, что это отличный способ узнать о происхождении и природе материи. Несколько прорывов привели к вручению Нобелевских премий.

Одной из крупнейших когда-либо построенных подобных машин стал Большой электрон-позитронный коллайдер, ускоритель заряженных частиц, который мы упомянули в начале предыдущей главы. Расскажем о нем подробнее.

Строительство ускорителя для столкновения электронов и позитронов началось осенью 1983 года в Швейцарии, неподалеку от Женевского озера. На глубине 100 метров был вырыт кольцевой туннель, длина которого в целом составила 27 километров (длина кольцевой ветки лондонского метро). Подземное кольцо пролегало под швейцарскими виноградниками, пересекало границу и уходило во Францию. Огромное кольцо состояло из восьми частей (секций), длина каждой – 3 км. Между этими закругленными секциями находились другие, прямые, длина каждой прямой секции составила 500 м. В точках пересечения встречных пучков ускорителя были построены четыре экспериментальные установки, каждая из которых состояла из большого числа детекторов частиц. Магниты направляли пучки электронов и позитронов к цели. Направляющих магнитов было три с половиной тысячи, а еще тысячу магнитов специально сконструировали для фокусировки пучков, чтобы повысить концентрацию электрических зарядов. Эксперименты завершились в 2000 году, а сам ускоритель демонтировали. В настоящее время в этом же туннеле размещен новый ускоритель – Большой адронный коллайдер.

Большой электрон-позитронный коллайдер – крупнейший инструмент для научных работ конца ХХ века. Именно в нем регулярно получали и удерживали антиматерию, а потом происходила ее аннигиляция

Эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере дали возможность всесторонне изучить бозоны и позволили показать, что слабое и электромагнитное взаимодействия имеют сходную природу и могут быть объединены в рамках одного взаимодействия – электрослабого.

Электроны производили, отделяя от атомов, а затем их движение ускорялось в небольшом ускорителе. Позитроны получали, выстреливая электронным пучком по небольшой вольфрамовой цели, благодаря энергии столкновений получались позитроны и новые электроны. Позитроны хранили в накопительном кольце, которое по сути напоминало более раннее изобретение Симона Ван дер Меера, которое хорошо сработало для хранения антипротонов (о нем мы расскажем ниже). Когда позитронов накапливалось достаточно, их направляли в серию ускорителей, которые увеличивали их энергию, пока они не начинали двигаться достаточно быстро, чтобы войти в основное кольцо Большого электрон-позитронного коллайдера. Там они путешествовали по трубкам между магнитами. Это была самая длинная вакуумная система из когда-либо построенных. Внутри трубок давление снижалось до меньшего уровня, чем давление на Луне. Ведь после таких усилий, приложенных для производства, сохранения и фокусировки пучков позитронов, очень важным было качество вакуума, чтобы позитроны не разрушились случайными атомами воздуха.