Załadowali na pakę antymaterię. Kierowca musiał się zdziwić

Naukowcy załadowali antymaterię na ciężarówkę, przewieźli ją przez teren laboratorium i po dotarciu na miejsce dalej prowadzili swój eksperyment. W przenośnej kriogenicznej pułapce BASE-STEP jechała chmura 92 antyprotonów. Test może w przyszłości pozwolić wywieźć antymaterię poza CERN i badać ją w laboratoriach, gdzie da się osiągnąć jeszcze większą precyzję pomiarów.

Antymateria do tej pory była praktycznie przywiązana do miejsca, w którym się ją wytwarza. Fabryka antymaterii CERN jest jedynym miejscem na świecie, gdzie można produkować, magazynować i badać niskoenergetyczne antyprotony. To ogromna przewaga, ale też ograniczenie, bo pomiary prowadzone tuż obok akceleratorów i układów spowalniających cząstki są narażone na zakłócenia, przede wszystkim fluktuacje pól magnetycznych. BASE-STEP ma ten problem obejść: złapać antyprotony w CERN i dostarczyć je do spokojniejszego laboratorium, gdzie można mierzyć ich własności dokładniej niż w samym sercu fabryki.

Zespół już wcześniej osiągnął jedne z najdokładniejszych na świecie porównań protonów i antyprotonów, w tym pomiar stosunku ładunku do masy z dokładnością 16 części na bilion. Problem polega na tym, iż przy takiej skali precyzji każda dodatkowa niestabilność środowiska zaczyna boleśnie przeszkadzać. jeżeli więc da się przewieźć antymaterię do bardziej cichego laboratorium, otwiera się droga do jeszcze bardziej czułych testów tego, czy materia i antymateria naprawdę są tak idealnie symetryczne, jak powinny według znanej fizyki.

Co dokładnie przewieziono?

Wbrew naszym wyobrażeniom nie była to fiolka świecącej substancji, tylko chmura 92 antyprotonów uwięzionych w przenośnej, kriogenicznej pułapce Penninga. Taka pułapka to urządzenie, które trzyma naładowane cząstki w niemal idealnej próżni dzięki pól elektrycznych i magnetycznych. W tym przypadku cały zestaw obejmował m.in. magnes nadprzewodzący, chłodzenie ciekłym helem, własne rezerwy zasilania i komorę próżniową. Całość waży prawie tonę, ale jak na aparaturę do antymaterii i tak jest zaskakująco kompaktowa: mieści się na niewielkiej ciężarówce i przechodzi przez zwykłe laboratoryjne drzwi.

Pamiętajmy, iż antymateria nie wybacza błędów. Gdy antyproton dotknie zwykłej materii, następuje anihilacja. Właśnie dlatego wszystko musi działać jednocześnie: próżnia, pole magnetyczne, stabilność mechaniczna, chłodzenie i zasilanie. CERN podkreśla, iż BASE-STEP zaprojektowano tak, by absorbował przyspieszenia do 1 G we wszystkich kierunkach, co ma wystarczyć na wstrząsy i drgania podczas transportu drogowego. Naukowcy monitorują też uwięzione cząstki na bieżąco metodą nieniszczącą, dzięki czemu wiedzą, czy antyprotony przez cały czas są na miejscu.

Nie chodzi tylko o sam przejazd, ale o to, co będzie po nim

Sam test był tak naprawdę w gruncie rzeczy demonstracją wykonalności. Chodziło o pokazanie, iż antyprotony można odłączyć od aparatury w CERN, załadować na ciężarówkę, przewieźć i z powrotem włączyć w działający eksperyment bez utraty całego ładunku. To się udało. Ale prawdziwa stawka jest znacznie większa. Christian Smorra, kierujący projektem BASE-STEP, mówi wprost, iż pierwszym realnym celem jest dostarczanie antyprotonów do precyzyjnych laboratoriów w Heinrich Heine University w Düsseldorfie, a później także do Leibniz University Hannover i być może innych europejskich ośrodków.

To właśnie tam mają odbywać się pomiary, których nie da się robić równie dobrze w fabryce antymaterii. Stefan Ulmer mówi wręcz o perspektywie poprawy precyzji co najmniej stukrotnie po przeniesieniu badań do dedykowanych laboratoriów poza samą strefą akceleratorów. jeżeli to się uda, transport antymaterii przestanie być jednorazowym pokazem możliwości, a stanie się normalnym elementem infrastruktury badawczej.

Dlaczego antymateria wciąż tak fascynuje fizyków?

Zgodnie z podstawowymi równaniami Wielki Wybuch powinien stworzyć materię i antymaterię w niemal równych ilościach. Gdyby tak było idealnie, obie powinny się wzajemnie unicestwić i Wszechświat wyglądałby zupełnie inaczej niż dziś. Tymczasem wszystko, co widzimy wokół siebie, zbudowane jest niemal wyłącznie z materii.

To oznacza, iż gdzieś w historii kosmosu musiała pojawić się przewaga jednej strony nad drugą, a fizycy od dekad próbują ustalić, skąd się wzięła. Każda wykryta różnica w masie, ładunku, czasie życia czy momencie magnetycznym cząstek i antycząstek mogłaby pomóc zrozumieć, dlaczego materia w ogóle przetrwała.

Eksperyment BASE skupia się właśnie na takich porównaniach. Bada protony i antyprotony, sprawdzając, czy mają identyczne własności. To nie brzmi tak widowiskowo jak silnik z antymaterii czy bomba z antymaterii, która może unicestwić pół globu, ale właśnie w takich pomiarach może kryć się odpowiedź na jedno z największych pytań współczesnej fizyki.

Transport to sukces, ale przez cały czas nie jest to prosta operacja

Największa trudność wcale nie kończy się w chwili ruszenia ciężarówki. Na dłuższych trasach zaczyna się prawdziwy problem z utrzymaniem nadprzewodzącego magnesu odpowiednio zimnym. Aby dotrzeć do laboratorium w Düsseldorfie, trap musiałby być utrzymywany poniżej 8,2 K przez co najmniej 8-12 godzin, co oznacza potrzebę dodatkowego źródła zasilania i chłodzenia kriogenicznego na pokładzie ciężarówki. A po przyjeździe pozostaje jeszcze najtrudniejszy moment: bezpieczne przełączenie i transfer antyprotonów do docelowej aparatury, tak by po drodze nie zniknęły.

Zespół podaje jednak, iż sam system potrafi utrzymać antyprotony przez 2 tygodnie bez strat, a obecna wersja pozwala na transport trwający około 4 godzin. To już wystarcza do przemieszczania ich między obiektami CERN i jego najbliższym otoczeniem, ale jeszcze nie do wszystkich docelowych zastosowań. Przełom więc nastąpił, ale jeszcze nie jest kompletny. Teraz trzeba go zamienić w niezawodną rutynę.

No dobra, ale to nie jest czasem niebezpieczne?

To pytanie wraca zawsze, bo antymateria została przez lata doskonale sprzedana przez popkulturę jako coś arcyniebezpiecznego. CERN zaznacza, iż ten transport nie jest żadnym zagrożeniem w sensie znanym z filmów. BASE-STEP więzi między 100 a 1000 antycząstek. Gdyby wszystkie naraz uległy anihilacji, uwolniona energia wyniosłaby około milionowej części dżula. CERN porównuje to do pojedynczego naciśnięcia klawisza na klawiaturze, które wiąże się z energią około 10 tys. razy większą.

Podobnie wygląda kwestia energetycznego potencjału antymaterii. Owszem, w teorii anihilacja antymateria jest bardzo wydajna energetycznie. Problem w tym, iż jej produkcja jest dziś skrajnie nieefektywna. Gdyby zebrać całą antymaterię kiedykolwiek wytworzoną w tym laboratorium i anihilować ją ze zwykłą materią, wystarczyłoby to zaledwie do zasilenia pojedynczej żarówki przez kilka minut. To świetnie brzmi jako wizja technologii przyszłości, ale w laboratorium antymateria pozostaje przede wszystkim narzędziem do badań podstawowych, a nie nośnikiem energii czy wojskową superbronią.