Виктор де Касто - PRO Антиматерию

Все эти агенты, которые передают силы, являются не-веществом, они и не материя, и не антиматерия, они – бозоны. Они воздействуют на частицы материи или антиматерии и сами могут превращаться в уравновешивающие части этих двух форм вещества, которые являются фермионами. Так что, похоже, природа обеспечила два варианта частиц: носители силы, которыми являются бозоны, и основные кирпичики вещества, которыми являются фермионы. Бозоны могут приходить и уходить; фермионы в конечном счете распадаются до своих самых стабильных форм, электронов и комбинаций протонов и нейтронов, на этом этапе риск для них представляют их вторые «Я» из антиматерии.

Сражение между материей и антиматерией во Вселенной шло четырнадцать миллиардов лет назад, победила материя. Фермионы порождают структуру, обладают стабильностью и ведут к жизни. Мы сформированы из атомов, которые существуют уже миллиарды лет, и только теперь они конфигурируются в соединения, которые думают, что они – это мы. Мы вдыхаем кислород, выдыхаем углекислый газ, растем и умираем, но наши атомы продолжат свое существование. Их базовые части снова соединятся или пересоединятся в бесконечном разнообразии в далеком будущем – пока (и если) не встретятся с антиматерией.

Дирак изначально написал свое уравнение, чтобы объяснить электрон. Однако оно подходит для всех фермионов и точно также подходит к протону или нейтрону. Уравнение подразумевало, что у электрона имеется версия с отрицательной энергией, и Дирак успешно это интерпретировал как положительно заряженный позитрон с положительной энергией. Точно так же уравнение подразумевало, что у протона и нейтрона есть двойники, или аналоги, в антиматерии – антипротон и антинейтрон. У антипротона такая же масса, как и у протона, но отрицательный заряд вместо положительного. Точно так же у антинейтрона такая же масса, как у нейтрона, и нулевой заряд. Поскольку заряд у антинейтрона такой же, как у нейтрона, каким свойством они различаются?..

Хотя у нейтрона в целом нет электрического заряда, внутри у него заряд содержится. Как мы увидим, и у протона, и у нейтрона есть небольшой участок, в котором можно провести измерения. Внутри него кружатся электрические заряды, положительные и отрицательные, которые при сложении дают то целое, которое мы называем зарядом протона или нейтрона. Хотя в целом заряды нейтрона складываются в ноль, их движения производят кружащиеся электрические токи и магнетизм, что можно почувствовать, наблюдая, как нейтрон движется в магнитном поле. Внутри антинейтрона эти отдельные электрические заряды имеют противоположный знак, а потоки внутри него являются зеркальным отображением потоков внутри нейтрона. В результате магнетизм – Северный и Южный полюса, если хотите, меняются местами. В магнитном поле пути нейтронов и антинейтронов являются зеркальными отображениями друг друга. Как мы увидим ниже, точки электрических зарядов, которые соединяются для формирования протонов и нейтронов, сами по себе являются маленькими частичками, известными как кварки. Протон или нейтрон состоит из кварков; а их двойники, или аналоги, состоят из антикварков.

После открытия позитрона в 1932 году встала задача подтвердить, существует ли также и другая часть атома антиводорода, антипротон. Проблема состояла в том, что протон почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Так будет ли антипротон на столько же тяжелее позитрона? Это означает, что для его производства требуется гораздо большее энергии.

К 1950 году в космическом излучении открыли и другие новые частицы. Они включали мюон, который является более тяжелой версией электрона; уже упоминавшийся пион, который является бозоном и весит примерно одну седьмую часть протона. Также были частицы, известные как каон, которые назвали «странными» частицами, потому что они имеют неожиданно долгий срок жизни. Но антипротон не нашли. Общее мнение было таково, что антипротон существует – настолько физики были уверены в истинности утверждений Дирака. Амбициозный план появился в Калифорнийском университете в Беркли – там решили построить ускоритель, который будет ускорять протоны таким образом, что при ударе в цель появится достаточно энергии для производства антипротона. Задачей было построить машину и разработать средства для обнаружения и идентификации антипротона, причем так, чтобы не оставалось никаких сомнений.

«Беватрон» начали проектировать в конце 1940-х годов, в первую очередь для проведения экспериментов в области физики высоких энергий и элементарных частиц, в частности для экспериментального наблюдения антипротонов. Поскольку на момент проектирования жесткая фокусировка еще не была изобретена, ускоритель получился слабофокусирующим. Это означало большой размер пучка, а значит, огромную вакуумную камеру и гигантский размер магнитных элементов. Магнит «Беватрона», создающий ведущее поле, весил 10 000 тонн. Чтобы запитать магнит при подъеме энергии протонного пучка, использовался огромный мотор-генератор. После окончания очередного цикла, когда пучок был выпущен или сброшен, энергия из магнитного поля извлекалась обратно, раскручивая мотор. Выпущенный из «Беватрона» пучок протонов мог непосредственно использоваться в экспериментах, либо, после взаимодействия с мишенью, производить вторичные пучки других частиц, например нейтрино и пионов. Первичные или вторичные пучки использовались в разнообразных экспериментах для изучения физики элементарных частиц. Для отслеживания происходящего внутри машины использовались жидководородные пузырьковые камеры, в которых перегретый жидкий водород вскипал при прохождении одиночной частицы. Каждое такое событие фотографировалось на фотопленку, треки измеряли, а для обработки многих тысяч фотоснимков были разработаны специальные автоматы.