Пока европейские физики пытаются запустить Большой адронный коллайдер, американцы ищут, как бы его заменить чем-нибудь более дешевым. Им даже удалось создать миллиарды частиц антивещества с помощью ультрамощного импульсного лазера.
Сотрудники Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса министерства энергетики США (Lawrence Livermore National Laboratory, Department of Energy) под руководством Хуи Чен (Hui Chen) сообщают, что нашли способ получать в огромных количествах частицы антивещества, причем в обычной лаборатории, а не на огромных ускорителях. Они описывают эксперимент как очень простой: берется кусочек золота размером с головку канцелярской кнопки, просвечивается насквозь лазером и получается более ста миллиардов частиц антивещества.
Антивеществом в данном случае стали позитроны – «антидвойники» электронов. Эти элементарные частицы имеют массы покоя и спин такие же, как электрон, только вот заряд у них не -1, а +1.
«Мы вступили в новую эру, -- пишет физик из LLNL Питер Бейерсдорфер (Peter Beiersdorfer). – Мы сейчас можем смотреть на антивещество, почти как если бы оно лежало у нас на ладони. Нам кажется, что следствием нашей работы станет строительство целого центра по исследованию антивещества, который будет использовать лазер как фабрику по производству дешевой антиматерии». Уже сейчас, по мнению исследователей, возможность получения большого количества позитронов в маленьких лабораториях открывает новые возможности для самых разных исследований и открытий.
Понятия «маленькая» и «дешевая» у физиков, кстати, весьма специфические. В эксперименте использовалась не какая-нибудь лазерная указка, а импульсный петаваттный лазер TITAN (пета – 1015, то есть миллион миллиардов). Лазерный комплекс занимает несколько комнат и стоит более $10 млн. А мощность его импульса в более чем тысячу раз превосходит мощность электроэнергии, производимой всеми электростанциями США. Однако рядом с традиционными ускорителями, в которых сейчас массово получают позитроны, TITAN действительно выглядит крошкой. Например, длина основного кольца Большого адронного коллайдера, который у всех на слуху, – около 27 км, а общая стоимость этого проекта превышает $8 млрд.
Суть эксперимента
Как же такой «недорогой» и «небольшой» прибор способен помочь в деле образования антивещества? Лазер, который использовали американские физики, импульсный: он «светит» в течение всего лишь десяти фемтосекунд (1 фс = 10-15сек.), но при этом очень плотным и с мощным световым пучком. Давление такого света – десятки петапаскаль (в сотни миллиардов раз выше атмосферного давления). Это огромное давление. И если такое давление направить на мишень из тяжелого металла, например золота, из него «выбиваются» электроны, обладающие сверхвысокими энергиями. Такой электрон испускает гамма-квант с энергией более 2 мегаэлектронвольт. Этот гамма-квант, или фотон, взаимодействует с электромагнитным полем ядра золота и «антианнигилирует». При этом рождается пара электрон-позитрон.
Электроны и позитроны ведут себя практически одинаково, за одним исключением: в электромагнитном поле они отклоняются в противоположном направлении. Именно эта особенность их движения и позволила физикам регистрировать частицы и античастицы по отдельности.
Вообще, это не первый опыт получения позитронов при помощи мощного импульсного лазера. Около десяти лет назад ливерморские исследователи впервые обнаружили этот эффект во время опытов на первом своем петаваттном лазере NOVA. Именно тогда физики заметили, что при использовании золота производится особенно много позитронов, то есть благородный металл выступает в качестве катализатора процесса «антианнигиляции».
«В предыдущих работах мы сконцентрировались на получении позитронов с использованием ультратонкой металлической мишени, -- комментирует работу Скот Уилкс (Scott Wilks). Он занимался компьютерным моделированием эксперимента. – Однако последующие компьютерные имитации происходящего показали, что если взять золотую мишень миллиметровой толщины, то можно получить значительно больше позитронов».
И действительно, раньше ученые использовали в качестве мишени золотую фольгу толщиной 0,125 мм и им удавалось зарегистрировать около 100 античастиц за один лазерный импульс. Теперь же, после замены мишени миллиметровой фольгой, ученые регистрируют за один прием более 1 млн частиц. Но исследуется лишь небольшая доля «плазменного коктейля», струящегося из золотой пластинки (из мишени выбиваются не только электроны, но и протоны и другие ускоренные ионы), и регистрировать удается не все, хотя детекторы за десять лет значительно улучшились. Так что физики оценивают общее число получающихся позитронов в несколько миллиардов. «Мы обнаружили во много раз больше антиматерии, чем кто-либо еще в других лазерных экспериментах. Их огромное количество», -- прокомментировала результаты Хуи Чен.
Возможность получать большое количество позитронов более или менее недорогим способом порадует прежде всего астрофизиков. Возможно, наземные эксперименты помогут им глубже проникнуть в суть таких космических явлений, как черные дыры и гамма-всплески. А также понять наконец, почему наша Вселенная состоит в основном из нормального вещества и куда делось антивещество после Большого взрыва.
О результатах работы Хуи Чен и её коллеги доложили во вторник, 18 ноября, на 50-й ежегодной встрече отделения физики плазмы Американского физического общества, которая проходит 17--21 ноября в Далласе, штат Техас.
