Международная группа физиков придумала способ генерировать антивещество в лаборатории, что позволяет им воссоздать условия, похожие на те, которые существуют возле нейтронной звезды.
Эта установка в исследовательской лаборатории Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) в Германии включает в себя два высокоинтенсивных лазерных луча, которые могут генерировать струю антивещества, как описано в статье, опубликованной ранее этим летом в журнале Communications Physics. Это может сделать исследования на основе антивещества намного более доступными для ученых всего мира.
Но причем тут нейтронные звезды? Эти коллапсирующие звезды, находящиеся на грани смерти, являются одним из самых устойчивых источников антивещества, о которых мы знаем на данный момент. Из-за невероятной гравитации протоны и нейтроны в ядре умирающей звезды невероятно плотно "упакованы". Материя зажата так плотно, что количество материала размером с сахарный кубик будет весить более 1 миллиарда тонн, примерно столько же, сколько гора Эверест! Это делает нейтронные звезды идеальной лабораторией для таких экстремальных физических явлений, как создание антивещества.
Со своей стороны, антивещество, как следует из названия, противоположно материи. Оно включает в себя различные античастицы, которые объединяются с частицами и нейтрализуют друг друга, оставляя после себя только энергию. Например, античастичная версия электрона — это позитрон.
Европейская организация ядерных исследований (известная во всем мире как ЦЕРН), в штаб-квартире которой находится Большой адронный коллайдер считает, что большой взрыв должен был создать равное количество вещества и антивещества. Так почему же во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества? Именно этот вопрос является движущей силой стольких исследований антиматерии.
Это возвращает нас к началу: почему ученые так стремятся воспроизвести условия нейтронной звезды? По двум причинам. Во-первых, чрезвычайно сложно воссоздать экстремальные условия нейтронной звезды с точки зрения науки и логистики — представьте, если бы кубик сахара весил столько же, сколько Эверест на вашем столе! Во-вторых, ученые хотят создать антивещество для дальнейшего анализа в лаборатории.
Например, если исследователь хочет изучить условия, окружающие пульсары — сверхплотные нейтронные звезды, которые регулярно вращаются и излучают свет, как маяк, — ему придется запланировать время на установке с массивным ускорителем частиц, например на Большом адронном коллайдере. Однако способность создавать антивещество в лаборатории может помочь ученым быстрее разгадывать тайны высокоэнергетического антивещества (например, позитронов, которые врезаются в верхние слои атмосферы Земли).
Итак, как исследователи из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf выяснили, как генерировать антивещество? Они используют противоположные лазеры в установке, которую называют лазерными клещами:
Эти позитроны [античастицы электронов] генерируются, когда два пучка электронов высокой энергии, ускоренные и распространяющиеся вместе с лазерными импульсами, которые направляются вдоль плазменного канала, сталкиваются лицом к лицу, испуская синхротронные фотоны, которые сталкиваются друг с другом и с соответствующим приближающимся лазером.
Что находится в центре? В работе это был крошечный кусок пластика, в который стреляют оба лазера. Разрушая пластик, лазеры направляют друг к другу облака электронов. Эти два электронных облака затем бегут навстречу друг другу с полной силой, взаимодействуя с лазером, распространяющимся в противоположном направлении. Частицы, порожденные этим сильным столкновением, включают электроны и позитроны.
Разбивая частицы между двумя лазерами, ученые могут начать приближаться к сильно сконцентрированной гравитации и материи нейтронной звезды — подобно тому, как алмазная наковальня может сильно сжимать чрезвычайно крошечное количество вещества. Эти специальные инструменты помогают физикам создавать особые условия, необходимые для изучения микроскопических и квантовых явлений вблизи и лично.
В этом случае ученые все еще предполагают, что лазерные клещи будут работать, при поддержке компьютерного моделирования, которое помогло им проверить и подтвердить свою теорию. Теперь следующий шаг — приступить к созданию установки, которая действительно будет запускать лазеры. Инжинеры уже разрабатывают платформу, которая может быть использована для экспериментальной проверки того, действительно ли магнитные поля формируются так, как предсказывает моделирование.