Элемент номер «–1»
Как плюс и минус, вещество и антивещество равны и противоположны. При встрече они разрушают друг друга (аннигилируют), выделяя большое количество энергии в виде специального излучения, которое, собственно, и регистрируют в экспериментах.
В сентябре прошлого года научную общественность взбудоражило сообщение о том, что в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований) получены 50 000 атомов антиводорода. И вот уже в ноябре конкурирующая группа ученых из того же ЦЕРНа опубликовала статью в «Physical Review Letters» о том, что получены 170 000 атомов «минус первого» элемента.
Казалось бы, что такого особенного, ведь слова «антивещество» и «антиматерия» давно вошли в наш обычный лексикон? Но, несмотря на то что уже 70 лет ученые регистрируют и получают античастицы (первым был антагонист электрона — позитрон, потом антипротон, антидейтерий, антитритий…), получить полностью сформированный антиатом, состоящий из антипротонов и позитронов, никак не удавалось. Да если быть откровенным, то и античастиц за все время существования ускорителей получили ничтожные количества — всех антипротонов, синтезированных в ЦЕРНе за год, хватит на работу одной электрической лампочки в течение нескольких секунд. А вместе с тем ученые давно хотят получить антивещество и исследовать его свойства. Ведь есть теория, что во время Большого Взрыва образовалось одинаковое количество вещества и антивещества, но потом антивещество куда-то исчезло. Почему именно оно? Чтобы получить ответ на этот и многие другие вопросы, надо изучить его свойства, хотя бы спектр. Более того, есть фантастические проекты, что если человечеству удастся совладать с антиматерией, то, может быть, всего нескольких ее граммов хватит, чтобы долететь до Марса или снабжать энергией большой город.
Итак — антиводород. Подобно тому как самый простой атом — водород состоит из положительного протона и вращающегося вокруг него отрицательно заряженного электрона, его антипод антиводород должен состоять из антипротона и позитрона. Даже этот самый простой антиэлемент не давался в руки. И вот в 1995 году первое сенсационное сообщение: интернациональная команда физиков, работающих в программе «ATRAP» (ЦЕРН), синтезировала первые девять атомов антиводорода. Просуществовав примерно 40 нс, эти единичные атомы погибли, выделив положенное количество излучения (что и было зарегистрировано). В ходе трехнедельного эксперимента исследователи зафиксировали девять таких событий, что дало наконец возможность сказать: «Началось строительство периодической системы антиэлементов».
Чтобы детально изучить свойства антиводорода, девяти атомов явно недостаточно. В феврале 2002 года в ЦЕРНе заработало новое устройство «Антипротонный замедлитель» (AD). Оно позволяло замедлить («охладить») антипротоны еще в 10 000 000 раз по сравнению с установкой 1995 года, на которой поймали первые антиатомы. На «Антипротонном замедлителе» и началась жесткая конкуренция двух групп ученых, участников экспериментов «ATHENA» (39 ученых из разных стран мира) и «ATRAP». В сентябре, как раз в те дни, когда отмечалось 100-летие со дня рождения Поля Дирака (он был первым, кто предсказал существование антиэлектрона — позитрона), участники эксперимента «ATHENA» заявили, что им удалось получить 50 000 атомов антиводорода. Для этого физикам пришлось запастись полутора миллионами антипротонов, а потом совмещать примерно 10 000 антипротонов с 75 000 000 предварительно охлажденных позитронов. Задача эта фантастически сложная (мы надеемся, что в этом году опубликуем подробную статью на эту тему), так как надо не только получить антипротоны, выделить их и замедлить до разумных энергий, главное — направить затем потоки антипротонов и позитронов в место встречи, затормозить античастицы окончательно и при этом обеспечить столь высокий вакуум, чтобы античастицы имели достаточное время жизни. Только тогда можно рассчитывать на получение простейшего атома антивещества — антиводорода.
Участники эксперимента «ATHENA» получили 130 случаев аннигиляции о стенки, что, по их расчетам, должно соответствовать образованию 50 000 атомов антивещества. Проблема в том, что аннигиляцию антиводорода они регистрировали на общем, более сильном фоне аннигиляций позитронов и антипротонов. Это, естественно, вызвало здоровый скепсис коллег из смежного конкурирующего проекта «ATRAP». Они, в свою очередь синтезировав антиводород на той же установке, смогли с помощью сложных магнитных ловушек зарегистрировать атомы антиводорода без какого-либо фонового сигнала. Образовавшиеся в эксперименте атомы антиводорода становились электрически нейтральными и в отличие от позитронов и антипротонов могли свободно покидать ту область, где удерживались заряженные частицы. Вот там, без фона, их и регистрировали — по оценкам, в ловушке образовалось примерно 170 000 атомов антиводорода.
Теперь полученного количества антиводорода вполне может хватить для изучения свойств, например, спектра поглощения, которое начнется уже в начале этого года. Согласно теории, он должен быть таким же, как иу обычного водорода. Если же он окажется другим, то придется вносить коррективы в фундаментальные основы современной физики.