Да уловиш антиматерията в капан

Проучването й ще разреши една от големите загадки – ако при Големия взрив количествата материя и антиматерия са равни, защо не изчезват и защо ние съществуваме

Не, антиматерията не е научна фантастика, а ЦЕРН е единственото място, където тя се изучава от всички гледни точки. И не само това – там я произвеждат, за да я сравнят с материята, да открият как й влияе гравитацията, защо при Големия взрив количествата материя и антиматерия са били равни, но впоследствие нещо се случва и антиматерията рязко намалява. Пристъпваме прага на Фабриката за антиматерия с истинско вълнение, осъзнавайки, че това е

историческо място,

реализирало мечтите и откритията на едни от най-великите физици.

През 20-те години на миналия век учените проучват идеята на Макс Планк, че енергията се излъчва не като непрекъснат поток, а на порции, наречени кванти. Това се превръща в основа на създадената малко по-късно от Ервин Шрьодингер и Вернер Хайзенберг квантова механика, предизвикала истинска революция в науката.

През 1928 г. гениалният Пол Дирак стига до уравнението, което описва поведението на електрона, използвайки новата квантова теория и Специалната теория на относителността. 5 години по-късно Дирак печели Нобелова награда заради уравнението, но то започва да създава нови проблеми. Както x 2 = 9 може да има две възможни решения (x = 3 или x = ?3), така и уравнението на Дирак има две решения. Едното е за електрон с положителна енергия, другото - за електрон с отрицателна енергия.

Когато всички са убедени, че енергията на една частица може да е само положително число, нестандартният Дирак бързо предлага друг вариант.

Според него всяка частица има своята античастица, която съвпада с другата, но е с противоположен заряд. Тоест електронът трябва да има двойник - позитрон, който е еднакъв във всяко едно отношение с електрона, но притежава положителен заряд. Няколко години по-късно, през 1932 г., проф. Карл Андерсън, докато

проучва космически частици,

забелязва следа от нещо, което е „положително заредено и е със същата маса като електрона“. След едногодишно наблюдение на поведението на тези идващи от Космоса частици той стига до извода, че това е антиелектрон или позитрон. Така теоретично предсказаните от Дирак частици са доказани и след него и Андерсън получава Нобелова награда.

Но когато материята и антиматерията влязат в контакт, те се унищожават мигновено – превръщат се в частици с по-ниска или нулева маса, напр. фотони. Големият взрив трябваше да създаде равни количества материя и антиматерия. И така, защо във Вселената има много повече материя от антиматерия?

В CERN физиците създават антиматерия за изследване в експерименти. Отправната точка е антипротонният забавител, който забавя антипротоните, открити 22 години по-късно.

Това, което е сигурно, е, че ако тези частици близнаци се срещнат, ще се унищожат взаимно. Разбира се, това не отговаря на въпроса защо след Големия взрив антиматерията изчезва. Разплитането на тази загадка се превръща в една от задачите на Фабриката за антиматерия в ЦЕРН.

„Ние сме свят, доминиран изцяло от материята, и този факт не е напълно изучен“, казва ни усмихната Клое Малбруно, която наблюдава във Фабриката няколко експеримента.

„Атомите водород се изстрелват в протонния синхротрон, където се ускоряват – обяснява тя. - След това в блок от метал скоростта им се забавя. Там влизат във взаимодействие с позитрони, за да се формират антиводородни атоми.“ В края на 2018 г. е изграден 30-метровиятзабавител (деселератор) ЕLENA – с него трябва да се постигне минимално забавяне. Целта е в сложното съоръжение да се забави скоростта на антипротоните 50 пъти – (от 5,3 MeV до 0,1 MeV).

Антипротонният деселератор,

понижаващ енергията до минимум, произвежда нискоенергийни антипротони, за да могат те да бъдат уловени в капан, обяснява Малбруно.

Протонният лъч, идващ от протонния синхротрон, се изстрелва в метален блок, където сблъсъците създават множество вторични частици, сред които и антипротони. Те притежават различни енергии и се движат хаотично. Именно тук се включва деселераторът, който „успокоява“ тези частици и ги канализира в нискоенергиен лъч – всъщност именно той се използва за производството на антиматерия. Самият деселератор е с формата на пръстен, изграден от магнити, които държат антипротоните в „една пътека“, а силните електрически полета забавят скоростта им. След няколко цикъла на охлаждане и забавяне тяхната скорост пада до една десета от скоростта на светлината.

„Количеството им е много малко, но все пак е достатъчно“, уточнява българският инженер в ЦЕРН Мирослав Атанасов.

„В единия край на ускорителя имаме сензори, които отчитат положението на снопа хоризонтално и вертикално, измерват и пращат сигнал до другия край на ускорителя – разказва Атанасов. - Сигналът се движи по-бързо от частиците; когато се получат корекциите, там има магнити, които бързо ще коригират снопа.“

Европейските учени ни показват различните уреди и съоръжения,

магнити, опаковани в стомана и бетон.

„В ELENA имаме електронно охлаждане“, казва Мирослав Атанасов. Така от 2002 г., когато за първи път с този експеримент са произведени антиводородни атоми, е изминат дълъг. Физиците задържат все по-дълго тези нестабилни антиатоми, за да изучат и фиксират характеристиките им. От 2010 г. с деселератора се правят различни измервания, за да се сравнят данните и особеностите на антиматерията и материята.

За да се установи истината за изчезването на антиматерията след Големия взрив, трябва да се установи и какво е въздействието на гравитацията и именно това е целта на експериментите AEGIS и GBAR.

Така ELENA започва да произвежда антипротоните за GBAR.

Другите два експеримента – ALPHA и ATRAP – създават антиводородни атоми и ги „залавят“, за да бъдат изследвани подробно. Самото им „хващане в капан“ също не е било лесна работа – затова се създават специални магнити, контейнери, лазери, които да ги задържат, за да имат време учените да проследят характеристиките им. Днес това е нещо обичайно и застопоряването им става за все по-дълго. Именно така може да се разбере

къде е грешката в Стандартния модел

Ако Големият взрив е станал както този модел го описва, тогава са произведени равни количества материя и антиматерия. Те трябваше да са се унищожили взаимно и звездите, галактиките нямаше да съществуват. Затова Клое Малбруно се усмихва, когато казва, че нас също не би трябвало да ни има.

Задаваме й въпрос и дали тези изследвания ще ни разкрият тайните на антиматерията, но тя смята, че все още не разбираме достатъчно какво е това.

За разлика от ALPHA, експериментът ATRAP е фокусиран върху въпроса защо се е получил дисбалансът между материя и антиматерия.

В ASACUSA се следи и какво се случва при сблъсъците между материя и антиматерия. BASE пък сравнява магнитните моменти със съотношението между заряда и масата на антипротони и протони.

Така, докато учените задълбочено търсят разликите между материя и антиматерия, откриват и невероятните й приложения в медицината. Антиматерията се използва при създаването на изотопи за петскенерите, с които да се установи къде точно е туморът. Благодарение на нея се правят прецизни снимки на мозъка. С нея може да се диагностицира деменцията и много други заболявания, чието ранно откриване е свързано с успешното лечение.

Така Фабриката за антиматерия не само сбъдна мечтата на гениите във физиката, а вече успешно трупа знания за следващите революционни открития във фундаменталната наука и медицината.

Автор на статията

Петя Минкова Петя Минкова


Споделете статията

Четете още