Зал замедлителя антипротонов ЦЕРНа (Antiproton Decelerator, AD) — единственное место в мире, где учёные могут хранить и изучать антипротоны. Но это то, что учёные, работающие над экспериментом BASE, надеются изменить однажды с помощью своего подпроекта BASE-STEP: аппарата, предназначенного для хранения и транспортировки антиматерии.
Недавно группа учёных и инженеров сделала важный шаг на пути к этой цели, перевезя облако из 70 протонов в грузовике через главную площадку ЦЕРНа. «Если можно сделать это с протонами, это также сработает и с антипротонами. Единственное отличие в том, что нужна гораздо лучшая вакуумная камера для антипротонов», — сказал Кристиан Сморра, руководитель BASE-STEP.
Это первый случай, когда свободные частицы транспортируются в многоразовой ловушке, содержимое которой учёные могут перенести в другой эксперимент. Конечная цель — создать «службу доставки» антипротонов из ЦЕРНа в эксперименты, расположенные в других лабораториях.
Антиматерия — это встречающийся в природе класс частиц, который почти идентичен обычной материи, за исключением того, что заряды и магнитные свойства меняются местами. Это сбивало с толку учёных на протяжении десятилетий, поскольку согласно законам физики, Большой взрыв должен был произвести равное количество материи и антиматерии. Эти равные, но противоположные частицы быстро аннигилировали бы, оставив пустую вселенную. Физики подозревают, что существуют скрытые различия, которые могут объяснить, почему материя сохранилась, а антиматерия почти исчезла.
Эксперимент BASE направлен на то, чтобы ответить на этот вопрос, точно измеряя свойства антипротонов, такие как их магнитный момент, а затем сравнивая эти измерения с измерениями, полученными с протонами. Однако точность, которую может достичь эксперимент, ограничена его местоположением.
«Ускорительное оборудование в зале AD генерирует колебания магнитного поля, которые ограничивают то, насколько далеко мы можем продвинуть наши измерения. Если мы хотим ещё глубже понять фундаментальные свойства антипротонов, нам нужно выехать», — сказал представитель BASE Стефан Ульмер.
Для этого и был создан проект BASE-STEP. Цель состоит в том, чтобы перенести антипротоны в установку, где учёные смогут изучать их с большей точностью. Чтобы иметь возможность сделать это, им нужно устройство, которое достаточно мало, чтобы его можно было погрузить в грузовик, и которое может выдерживать удары и вибрации, неизбежные при наземной транспортировке.
Текущий аппарат, включающий сверхпроводящий магнит, криогенное охлаждение, резервы мощности и вакуумную камеру, которая улавливает частицы с помощью магнитных и электрических полей, весит 1000 килограммов и требует двух кранов, чтобы поднять его из экспериментального зала и погрузить на грузовик. Несмотря на то, что он весит тонну, BASE-STEP намного компактнее любой существующей системы, используемой для изучения антиматерии.
Во время репетиции учёные использовали захваченные протоны в качестве замены антипротонов. Но хранение протонов в виде свободных частиц, а затем перемещение их в грузовик является сложной задачей, поскольку любое возмущение затянет несвязанные протоны обратно в атомное ядро.
«При транспортировке наша система ловушек подвергается вибрациям, а лабораторные эксперименты обычно не рассчитаны на это. Нам нужно было создать систему ловушек, которая была бы достаточно прочной, чтобы выдерживать транспортировку, и теперь мы впервые подвергли её реальному испытанию», — сказал Сморра.
Однако Сморра отметил, что на данный момент самым большим потенциальным препятствием является не неровность дороги, а пробки. Если транспортировка займёт слишком много времени, то в какой-то момент закончится гелий. Жидкий гелий поддерживает сверхпроводящий магнит ловушки при температуре ниже 8,2 Кельвина: его максимальной рабочей температуры. Если транспортировка займет слишком много времени, то магнитное поле будет потеряно, а захваченные частицы будут освобождены и аннигилируют, как только коснутся обычного вещества.
«В конце концов, мы хотим иметь возможность перевозить антиматерию в наши лаборатории в Университете Генриха Гейне в Дюссельдорфе, что позволит изучать антиматерию с точностью, улучшенной как минимум в 100 раз. В долгосрочной перспективе мы хотим перевозить её в любую лабораторию в Европе. Это означает, что нам нужно иметь генератор на грузовике. В настоящее время мы изучаем эту возможность», — сказал Сморра
После этого успешного испытания, включавшего в себя обширный мониторинг и сбор данных, команда планирует усовершенствовать процедуру транспортировки антиматерии в следующем году.
Другой эксперимент, PUMA, готовит транспортируемую ловушку. В следующем году планируется транспортировать антипротоны на 600 метров из зала ADH в установку ISOLDE в ЦЕРНе, чтобы использовать их для изучения свойств и структуры экзотических атомных ядер.
Эксперимент BASE и проект BASE-STEP являются частью более широкой программы исследований антиматерии в ЦЕРНе. Учёные надеются, что их работа приведёт к новым открытиям и поможет лучше понять природу антиматерии и её роль во Вселенной.
