Антиматерию заказывали? Как в ЦЕРН учатся антивещество транспортировать

В мае 2025 года ученые ЦЕРНа завершили ^[1] испытания системы BASE-STEP — она позволит перевозить антиматерию в обычном грузовике на насколько километров. «Путешествие» организовали в пределах научного комплекса организации на границе Франции и Швейцарии: капсула с частицами находилась в пути около четырех часов. Да, пока это были протоны, не антиматерия, но эксперимент стал генеральной репетицией перед перевозкой антивещества. Давайте разбираться, что с результатами и какие у всего этого перспективы.

Антиматерия — вызов для науки

Антиматерия состоит из античастиц, которые отличаются от частиц обычной материи в том числе зарядом, барионным числом ^[3] и направлением магнитного момента. Создание антиматерии — сложный и затратный процесс. В ЦЕРН антипротоны получают, направляя высокоэнергетический пучок протонов на металлическую мишень — например, из иридия. Полученные частицы высоких энергий порядка 3 500 МэВ (миллионов электронвольт) потом замедляются в Антипротонном замедлителе ^[4]. Дополнительно их «успокаивают» в кольце комплекса Extra Low Energy Antiproton до энергий порядка 90 КэВ (килоэлектронвольт). Это уже показатель, позволяющий проводить дальнейшие эксперименты.

Вот только эффективность этого процесса крайне низка. Даже при полной загрузке ускорителей ЦЕРН можно производить ^[6] не более одного нанограмма антиматерии в год. За всю историю работы ЦЕРН было создано менее 10 нг. При аннигиляции всего этого количества можно получить объем энергии, достаточного для питания лампочки мощностью 60 Вт в течение четырех часов. И это все.

Почему не создать больше? Стоимость производства антиматерии оценивается ^[7] в десятки триллионов долларов за грамм. Это самое дорогое вещество на Земле. Такая высокая цена обусловлена не только сложностью производства, но и необходимостью хранения антиматерии в особых условиях. 

В обычных не получится — она аннигилирует. Поэтому для ее хранения ^[8] нужен сверхвысокий вакуум, что минимизирует вероятность столкновений даже с остаточными молекулами газа. Ну а сверхнизкая температура (всего 4 Кельвина) нужна для поддержания сверхпроводимости магнитов, используемых в ловушках Пеннинга ^[9]. А еще — для снижения тепловых флуктуаций, которые могут привести к утрате античастиц.

Тем не менее какое-то количество антиматерии ЦЕРН производит, но для всестороннего ее изучения требуется помощь других научно-исследовательских организаций. Поэтому ученые решили разработать технологию перевозки антивещества.

Преодолевая невозможное

Зачем вообще его перевозить? Антивещество может помочь понять, почему Вселенная состоит преимущественно из материи, хотя после Большого взрыва материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах. Чтобы изучить такие свойства, как взаимодействие с гравитацией и симметрия по отношению к обычному веществу, нужны сложные эксперименты, которые невозможно провести в одной лаборатории. Перевозка антиматерии в другие организации позволяет изучать ее, расширяя спектр экспериментов и участников.

Но как это сделать? Хранить антивещество научились — причем, кроме вакуума и криогенных температур, нужны магнитные ловушки. Они удерживают античастицы ^[10] в вакууме с помощью мощных магнитных полей. Такой способ минимизирует искажения электростатического поля и делает частоты различных режимов движения частиц максимально независимыми друг от друга. На электроды этой системы подается напряжение, создающее квадрупольное поле ^[11]. Оно удерживает частицы вдоль оси, совпадающей с направлением магнитного поля.

Частицы совершают осевые колебания ^[10] с частотой около 383 кГц при напряжении -2,950 В. Движение фиксируется сверхпроводящей системой, улавливающей слабые токи без прямого контакта с частицами. Помимо этого, частички вращаются в поперечной плоскости: быстрое циклотронное вращение происходит с частотой от 2 до 15 МГц, а медленное магнетронное — от 40 до 5 кГц, в зависимости от силы поля (от 136 мТл до 1 Тл).

До недавнего времени такие ловушки были стационарными. Идея транспортировки антиматерии казалась почти невыполнимой из-за вибраций, перепадов температуры и других внешних факторов, которые могли нарушить стабильность системы. Но выход нашелся. Ученые из проекта BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) в ЦЕРН разработали уникальное решение для транспортировки антиматерии — портативную магнитную ловушку ^[10]. Там все тот же вакуум и 4 Кельвина.

Основной вызов заключался в том, чтобы сделать ловушку устойчивой к внешним воздействиям. Во время транспортировки грузовик сталкивается с вибрациями, ускорениями и изменениями ориентации, которые могут нарушить магнитные поля. Ученые решили эту проблему, усилив конструкцию ловушки и оптимизировав ее для работы в условиях движения. Система была протестирована на устойчивость к ускорениям, сравнимым с теми, что возникают при езде по неровной дороге. Кроме того, ловушка оснащена автономным питанием и системой контроля, чтобы поддерживать стабильные условия даже вдали от лабораторной инфраструктуры.

Как все прошло

Эксперимент ^[12],  проведенный в мае 2025 года в рамках BASE-STEP,  стал первым в истории практическим тестом транспортировки антиматерии вне стационарной лабораторной установки. Ученые поместили 105 протонов ^[1] (антипротоны — следующий этап) в портативную ловушку. А ее, в свою очередь, закрепили на борту обычного грузовика. Все параметры, включая температуру, стабильность магнитного поля и вакуум, контролировались автономной системой, независимой от внешних источников питания или охлаждения. Это позволило протестировать жизнеспособность технологии в условиях, максимально приближенных к будущей реальной транспортировке между научными центрами.

Поездка проходила на закрытой территории комплекса ЦЕРН рядом с Женевой. Грузовик преодолел маршрут длиной более 3 км ^[10] с максимальной скоростью 42 км/ч. Но большую часть пути машина двигалась со скоростью 1 км/ч и даже ниже. Ученые проверяли устойчивость системы не только к кратковременным нагрузкам, но и к длительным вибрациям, смене ориентации и возможным изменениям температуры. Инженеры намеренно спроектировали маршрут так, чтобы он имитировал типичные дорожные условия: с поворотами, неровностями покрытия и естественным ускорением и торможением.

В итоге все получилось. Ни одна из частиц не была потеряна: все 100 протонов остались внутри ловушки. Cпособ доказал свою эффективность, перевозка антиматерии, насколько можно судить, больше не проблема. Успех эксперимента стал важным шагом на пути к созданию инфраструктуры для транспортировки антивещества за пределы ЦЕРН.

Зачем? В первую очередь для его изучения. Например, в Дюссельдорфе, Германия, строится новая лаборатория ^[1] для экспериментов с микрочастицами. Она расположена в 800 км от ЦЕРН. Она оснащена самым современным специализированным оборудованием и может проводить измерения с точностью, превышающей возможности ЦЕРН более чем в 100 раз.

Технология BASE-STEP может использоваться не только для транспортировки антипротонов, но и для более сложных частиц — например, ионов или антиводорода. Она открывает путь к созданию распределенной исследовательской инфраструктуры, в которой разные лаборатории смогут участвовать в экспериментах с антиматерией. Такой подход может ускорить поиск эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели ^[13]. Все это поможет лучше понять происхождение и структуру макро- и микромира.