У антиматерии заслуженная репутация худшего в мире материала для хранения. Частица встречает античастицу — и обе исчезают во вспышке излучения, конец истории. Первые пойманные антиатомы жили считанные мгновения и гибли, едва коснувшись стенок. С тех пор искусство удержания шагнуло далеко вперёд: антипротоны в ловушках нынче хранят дольше, чем ещё недавно казалось возможным, а нейтральный антиводород физики держат в магнитных ловушках всё дольше и дольше. Вчерашняя диковинка превращается в измерительный инструмент: им проверяют фундаментальные симметрии — и даже измеряют, как антиматерия падает в поле тяжести Земли.
С заряженными античастицами — антипротонами и позитронами — проще всего: за их заряд можно «ухватиться» электрическим полем. В ловушке Пеннинга частицу запирает связка статичного квадрупольного электрического поля и сильного однородного магнитного. Магнитное закручивает траекторию и не пускает частицу наружу по радиусу, электрическое держит вдоль оси. Стенок в привычном смысле нет вовсе — частица просто парит в глубоком вакууме. К восьмидесятым схему довели до совершенства, её создатели уехали с Нобелевской премией, а первую поимку антипротонов в такой невидимой клетке провели на том же ЦЕРНе.
Забавная деталь: электроды, удерживающие антипротон, сделаны из обычного вещества, с которым тот не дружит. Одно касание — аннигиляция, и всё. Поэтому криовакуум: всю ловушку охлаждают до гелиевых температур, остаточные газы вымерзают на стенках, вероятность столкновения падает практически до нуля. Если же частица всё-таки погибла, детекторы фиксируют это как тревожную сигнализацию. Сами антипротоны — товар с долгой доставкой: их рождают в столкновениях протонов с мишенью, прогоняют через кольца-замедлители и лишь потом отлавливают. Некоторые команды на антипротонном комплексе ЦЕРНа довели бережливость до предела: часть антипротонов они не тратят сразу, а складывают в «резервуарные» ловушки и хранят рекордно долго — эти запасы переживают даже остановы ускорителя. Настоящие консервы на время, когда «поставщик» пучка стоит.
С антиводородом — связкой антипротона и позитрона — этот номер не проходит: атом нейтрален, и электрические поля его попросту не чувствуют. Зато у нейтрального атома есть магнитный момент, и на нём строят всю охоту. Ловушка минимального поля, которой пользуются антиматерные эксперименты, — это чаша, вывернутая наизнанку: сверхпроводящие катушки создают конфигурацию, выталкивающую атомы с «правильной» ориентацией спина из областей сильного поля — к центру, где они и копятся.
У чаши, правда, есть изъян: она мелкая. Её глубина соответствует температурам у абсолютного нуля, и тёплый антиатом просто перепрыгнет через край. Поэтому антиатомы охлаждают испарением, а в последние годы — и лазером: о лазерном охлаждении антивещества физики отчитались официально, попутно уплотнив облако атомов и подняв точность спектроскопии. Криовакуум здесь критичен вдвойне — одиночного фотона теплового излучения хватает, чтобы перевернуть спин атома и выпустить его из ловушки. Прогресс тем не менее налицо: времена удержания выросли на порядки по сравнению с первыми поимками, а статистику копят на множестве циклов удержания.
Зачем хранить так долго? Затем, что точность растёт со временем наблюдения — старейшее правило метрологии. Центральный тест — проверка CPT-теоремы: в любой теории, совместимой с относительностью, частица и античастица обязаны совпадать по массе, времени жизни и величине магнитного момента, различаясь лишь знаком заряда. Дыра в CPT — дыра в фундаменте всей физики частиц. Пока придраться решительно не к чему: спектр антиводорода, магнитный момент антипротона, отношение «заряд-масса» у протона и антипротона — всё совпадает с «материальными» эталонами в пределах достигнутой точности. Каждое уточнение отсекает целые классы экзотических моделей — от нарушения лоренц-инвариантности до скрытых «пятых сил».
Второй вопрос — гравитация. Теория уверена: антиматерия обязана падать как обычная. Но прямых измерений долго не было — удержать атомы и одновременно дать им свободно падать казалось вещью несовместимой. Парадокс недавно разрешили изящно, измерив гравитацию прямо внутри магнитной ловушки: антиатомам дали шанс уйти через верх или через низ, и уходили они преимущественно вниз. В пределах точности опыта антиводород падает так же, как водород, — скучно и правильно, к восторгу физиков. Другие проекты готовят классический вариант: пучки холодных антиатомов и замер свободного падения с куда лучшей чувствительностью.
Ставки тут космологические. Большой взрыв, по нынешним представлениям, создал материю и антиматерию в равных долях — и те должны были аннигилировать полностью. Но Вселенная есть: на каждый миллиард уничтоженных пар пришлась одна «лишняя» частица материи. Из неё сделаны галактики, Земля и мы. Известного CP-нарушения для такого перевеса катастрофически мало, поэтому любое, даже крошечное расхождение свойств вещества и антивещества может оказаться ключом к разгадке. Ловушки — самый чувствительный инструмент этого поиска.
Собственного пучка низкоэнергетических антипротонов в России нет — такие пучки сегодня даёт практически один ЦЕРН, поэтому отечественное участие строится через коллаборации и смежные технологии. Группы Объединённого института ядерных исследований в Дубне работают в антиматерных экспериментах ЦЕРНа — в том числе в исследованиях гравитации для антиатомов. Технологическая база при этом куда сильнее, чем можно подумать: школа сверхпроводящих магнитов и криогеники атомной отрасли; лаборатории позитронной аннигиляционной спектроскопии, где позитроны служат зондом дефектов в материалах; ионные ловушки — родные сёстры пеннинговской клетки — для квантовых вычислений и атомных часов, которые развивают институты РАН и квантовый центр.
Перспективы двоякие. Работа в международных коллаборациях — самый быстрый доступ к передовым методикам удержания; следующий шаг — собственные криогенные ловушки для хранения заряженных частиц и сверхразрешающая масс-спектрометрия. Ограничение, увы, очевидно: без источника антипротонов прикладная ветвь упирается в «импорт» пучков. Зато сами технологии удержания — экстремальный вакуум, криостатика, управление одиночными ионами — конвертируются в детекторы, квантовые процессоры и аналитические приборы уже сегодня.
Вся эта гонка за сроками хранения — не спорт рекордов, а смена статуса. Антиматерия перестаёт быть объектом, который удаётся «поймать и посчитать», и становится прецизионным прибором, работающим по принципу секундомера: чем дольше отсчёт, тем ниже погрешность. На кону вопросы уровня оснований физики: идеально ли симметрична природа, как антиатомы относятся к гравитации, почему после аннигиляции в первые мгновения Вселенной всё-таки осталось хоть что-то. Ответы будут добывать по крупицам из атомов, парящих в вакууме холоднее открытого космоса, — и каждый дополнительный день удержания приближает разгадку ещё на один десятичный знак.