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.
Герш Будкер (1918–1977) – это российский ученый, основатель и первый директор Института ядерной физики. Он оставил после себя труды по ядерным реакторам, ускорителям, физике плазмы, физике частиц высоких энергий. Начинал с экспериментов на циклотроне, известен созданием ускорителей на встречных пучках. Метод встречных пучков используется для исследований по физике элементарных частиц
Следующим мы должны упомянуть Карло Руббиа. Он работал в ЦЕРН (какое-то время даже был генеральным директором) и предложил переделать один ускоритель, суперпротонный синхротрон, для столкновений протонов и антипротонов в одном и том же кольце. Предложенный Руббиа коллайдер начал работу в 1981 году, после чего в январе 1983 года появилось сообщение о том, что были зарегистрированы W-бозоны, а через несколько месяцев – также более неуловимые Z-бозоны.
По мнению Руббиа, для производства частиц W и Z требовалась совершенно новая техника – аннигиляторы высокой энергии между протонами и антипротонами. В теории было рассчитано, что при таких условиях возможно произвести не только электромагнитное излучение, свет, но и квантовые пучки, известные как W и Z, которые являются посредниками, переносящими слабые силы радиоактивности.
Самой большой проблемой стало укрощение антипротонов и успешное помещение их в суперпротонный синхротрон. Ее решил Симон Ван дер Меер, который получил Нобелевскую премию вместе с Карло Руббиа. В ЦЕРН построили небольшую машину под названием Аккумулятор (или накопитель) антипротонов, известную как АА. В ней аккумулировались антипротоны и охлаждались, превращаясь в управляемый пучок. Таким образом они сохранялись до тех пор, пока их не окажется достаточно, чтобы использовать. Вот тут и пригодились идеи Ван дер Меера. Электронные детекторы на противоположных сторонах кольца проводили мониторинг антипротонов в пучке – где они проходят. Сигнал шел в компьютер, который рассчитывал отклонение пучка и усилие, требуемое, чтобы лучше выровнять пучки; затем сигнал на скорости света отправлялся к электродам в дальней части кольца. Идея Ван дер Меера заключалась в том, что антипротонам требуется примерно на 50 % больше времени, чтобы пройти по полукругу, чем сигналу, срезающему путь по центру круга, а если кольцо достаточно большое, то для электроники останется время принятия решения и подачи инструкций, на основании которых начнут действовать ресиверы до того, как антипротоны, наконец, пройдут по дуге. За одну миллиардную долю секунды (или наносекунду) свет проходит одну треть метра (один фут). Это был по-швейцарски точный расчет времени – и буквально, и метафорически. Каждые две секунды из протонного синхротрона вылетали протоны, врезались в цель и производили антипротоны. Антипротоны заходили в Аккумулятор антипротонов, по одной партии за раз, там в течение двух секунд происходило охлаждение – до прибытия следующей партии.
Карло Руббиа (род. в 1934 году) – итальянский физик, лауреат Нобелевской премии по физике за решающий вклад в открытие квантов поля W и Z – переносчиков слабого взаимодействия, 1984
Аккумулятор антипротонов напоминал два кольца в одном, соединенных заслонками, которые можно закрывать и открывать. По внутреннему кольцу между заслонками циркулировали группы огражденных антипротонов, а снаружи, у заслонок, находились последние, только что прибывшие антипротоны, которые все еще пребывали в процессе охлаждения. Как раз перед следующим выбросом заслонки открывались, и антипротоны с внешнего кольца, теперь охлажденные, переходили на внутреннее. Затем заслонки закрывались, потом приходила следующая партия, процесс повторялся снова и снова.
Симон Ван дер Меер (1925–2011) – голландский инженер, изобретатель метода стохастического охлаждения пучков в ускорителях
После того как антипротоны оказывались на внутреннем кольце, электронные послания Ван дер Меера передавались по кольцу, и антипротоны охлаждались еще больше. Требовалось немного больше суток для накапливания и охлаждения ста миллиардов антипротонов. Уловка Ван дер Меера привела к мощным пучкам антипротонов с высокой энергией, которые могли использоваться в экспериментах.
Антипротоны с их большей массой было сложнее укротить, чем позитроны, но после того как антипротоны брали под контроль, получались гораздо бо́льшие пучки и гораздо больше энергии. Именно это приводило в возбуждение физиков. Через аннигиляцию антипротонов и протонов они смогли в экспериментах воспроизвести условия, которые существовали в первые моменты Большого взрыва. Технологи проявили изобретательность, обеспечив охлаждение, ряд различных специальных «беговых дорожек» и сложную электронику. Все это поражало и показывало, что антиматерию можно укротить. Да, возможно произвести и укротить антипротоны, но это медленный процесс, он требует большого терпения и стоит он дорого: миллионы долларов.
Ловушка Пеннинга
Хранение античастиц с высокими энергиями, соответствующими температурам, которые гораздо выше, чем даже в центре Солнца, требует больших ускорителей. Возможно ли удержать их в холоде, при комнатной температуре или более низкой температуре? В 1984 году немецко-американский ученый Ганс-Георг Демельт смог хранить один единственный позитрон на протяжении трех месяцев в цилиндре, в котором был создан вакуум, размером в половину человеческого пальца. Это был не первый подобный опыт Демельта.
Демельт родился и вырос в Германии, а в 1952 году был приглашен на работу в США и принял американское гражданство. Его интересы распространялись на атомные и молекулярные пучки и физику элементарных частиц. Он разработал метод удержания одиночных ионов, используемый для прецизионной спектроскопии высокого разрешения. В 1989 году был удостоен Нобелевской премии по физике за разработку метода удержания одиночных ионов. Впервые Демельт описал преимущества ионных ловушек для спектроскопии высокой разрешающей силы в 1956 году. В последующие годы он пытался строить подобные ловушки. В 1959 году Демельту удалось продержать в магнетронной ловушке (впоследствии названной ловушкой Пеннинга) 1 электрон в течение 10 секунд. В 1973 году ему удалось первое длительное хранение одного электрона, он также смог построить одноэлектронный генератор совместно с Дэвидом Винеландом и Филом Экстромом. В последующие годы он усовершенствовал этот метод.
Ганс-Георг Демельт (род. в 1922) – лауреат Нобелевской премии по физике за разработку метода удержания одиночных ионов, 1989
Хранение позитрона на протяжении трех месяцев получилось благодаря оригинальной комбинации электрических и магнитных полей в аппарате, который Демельт скромно назвал ловушкой Пеннинга – в честь Франца Пеннинга, голландского физика, чью оригинальную идею развил Демельт.
Идея ловушки Пеннинга восходит к 1930-м годам, к тем дням, когда еще только зарождалась электроника, а телевизоры начинали работу на катодных лучевых трубках. Электричество проходит через провода так, словно это жидкость. Подсоедините один конец провода к отрицательному электроду (аноду) мощной батареи, а другой конец к металлической пластине (катоду) внутри стеклянной трубки, наполненной газом. Таким образом электричество будет проходить сквозь газ, вызывая странное освещение. Когда его впервые увидели в последние годы XIX века, викторианское общество было очаровано.
Попытки понять, что происходит, привели к открытию Джозефом Джоном Томсоном электрона, носителя электрического тока. Он добился этого, используя электрические и магнитные поля для направления пучка.
Если магнитное поле достаточно мощное, оно может направлять электроны по четким кругам, где они оказываются в ловушках на орбитах и не могут перебраться в дальний конец трубки. По крайней мере, это происходит в идеальном вакууме. Если присутствуют остатки газа, электроны начнут сталкиваться с атомами, сбегать со своих орбит и будет течь ток.