Антиматерия мгновенно аннигилирует при контакте с обычным веществом, поэтому её хранение и транспортировка — одна из самых сложных технических задач современной физики. Коллаборация BASE в CERN сообщила о важном прорыве: создано переносимое устройство BASE-STEP, которое позволяет безопасно перемещать ловушки с частицами между лабораториями.
Переносимая ловушка Пеннинга
BASE-STEP (Symmetry Tests in Experiments with Portable Antiprotons) — компактная переносимая ловушка Пеннинга для антипозитивно заряженных частиц, в первую очередь антипротонов. Цель — вывести эксперименты из зала Антиматериального замедлителя (AD), где сильные магнитные шумы от ускорителей ограничивают точность измерений, в более «тихие» лаборатории.
Вся установка смонтирована на алюминиевой раме размером примерно 2,00 × 0,87 × 1,85 м и массой менее 1000 кг, что позволяет перевозить её обычными погрузчиками и кранами, проводя через стандартные двери и коридоры.
Сердце системы — два стека электродов внутри криогенной вакуумной камеры в отверстии сверхпроводящего магнита:
- Catching Trap (CT) принимает антипротоны из установки ELENA, тормозит их с помощью деградирующей фольги и захватывает высоковольтными импульсами. Поворотные элементы позволяют переключаться между режимами инжекции, изолированного хранения и выброса — по сути, это «воздушный шлюз» между внешней средой и ультравысоким вакуумом.
- Storage Trap (ST) обеспечивает долговременное хранение до трёх месяцев при давлениях ниже 10⁻¹⁶ мбар в центре ловушки.
Электроды изготовлены из бескислородной меди с золотым покрытием и разделены точно обработанными сапфировыми кольцами, что даёт хорошую теплопроводность и низкие потери энергии. Неразрушающие осевые и циклотронные детекторы на основе сверхпроводящих тороидальных катушек позволяют измерять частоты движения частиц, не выводя их из ловушки.
Холодный сверхпроводящий магнит в пути
Необычная особенность BASE-STEP — магнит перевозится в холодном, рабочем состоянии. Обычно сверхпроводящие магниты перед транспортировкой разогревают и размагничивают. Для нового устройства опорную конструкцию рассчитали с помощью метода конечных элементов, чтобы она выдерживала ускорения до 2 g в любом направлении без превышения допустимых напряжений.
Поддержание ультравысокого вакуума при движении — не менее критичная задача. Криогенная камера ловушек соединена с тёплой входной камерой через дифференциальную систему откачки. Входная область держится на уровне не хуже 10⁻¹⁰ мбар, а запорный клапан и два поворотных электрода могут полностью перекрыть канал во время хранения, дополнительно экранируя антипротоны от остаточных газов.
Остаётся и проблема длительных перевозок: как отмечает руководитель проекта Кристиан Сморра, при слишком долгом пути может закончиться жидкий гелий, и магнит потеряет сверхпроводимость. Команда рассматривает вариант установки генератора на транспортное средство для продления автономной работы.
Испытание с протонами и перспективы
В первом полном тесте вместо антипротонов использовали около 100 протонов. Хотя это не антиматерия, по отклику на электромагнитные возмущения протоны ведут себя аналогично, что делает их удобными «манекенами» для проверки технологии.
Ловушку с протонами погрузили на грузовик и перевезли через территорию CERN, постоянно контролируя параметры системы. Частицы прибыли в пункт назначения без потерь, что подтвердило работоспособность всей механики, криогеники и вакуумной части в реальных условиях.
По словам представителя коллаборации Штефана Ульмера, магнитные флуктуации в зале AD ограничивают предельную точность экспериментов. Перевозка антипротонов в лаборатории с более стабильным полем, например в университет Генриха Гейне в Дюссельдорфе, должна дать как минимум стократное улучшение точности измерений свойств антипротона.
Такая точность необходима для тончайших тестов фундаментальных симметрий и для ответа на ключевой вопрос: почему во Вселенной доминирует материя, а не антиматерия. Технология BASE-STEP потенциально позволит перевозить и другие экзотические частицы, например сверхвысокозаряженные ионы, расширяя возможности прецизионных экспериментов вдали от крупных ускорительных комплексов.
