CERN представив портативну систему транспорту антиматерії для Європи
Протягом десятиліть антиматерія залишалася однією з найзагадковіших субстанцій у фізиці, знищуючи себе при контакті з нормальною матерією та зникаючи майже одразу після появи. Однак нещодавні досягнення на установці з уповільнення антипротонів (AD) в CERN змінили цю ситуацію, дозволивши захоплювати та утримувати цілі антиатоми. Проте обладнання для виробництва та утримання на місці створює сторонні електромагнітні поля, що обмежують точність фундаментальних тестів симетрії. У відповідь команда інженерів CERN розробила, виготовила та успішно протестувала портативний пристрій для утримання антиматерії, який можна завантажити на вантажівку та транспортувати через міжнародні кордони.
Виклики утримання антиматерії
Антипротони створюються шляхом спрямування протонного пучка з енергією 26 ГеВ/c на стаціонарну металеву мішень. Отримана спрей вторинних частинок повинна бути сповільнена з мегаелектронвольтних енергій до кількох кеВ, перш ніж електростатичні та магнітні пастки зможуть їх утримати. Це сповільнення здійснюється за допомогою ряду електромагнітних елементів: радіочастотного квадруполя, магнітного рогу та пасток Пеннинга, які працюють під ультрависоким вакуумом (УВВ).
“Будь-яка зовнішня флуктуація магнітного поля — навіть на пікотесла рівні — може дестабілізувати пастку і знизити точність вимірювань,” пояснює доктор Марія Фернандес, провідний дослідник проекту утримання. “Щоб перевести тести симетрії CPT на точність понад 10–12, необхідно ізолювати антиматерію від усіх джерел шуму на місці.”
Дизайн та технічні характеристики портативного пристрою для утримання
- Загальні розміри: 2.0 м довжина × 0.8 м ширина × 0.9 м висота
- Вага: 1,200 кг (включаючи резервуар для рідкого гелію об’ємом 50 л та конструкційна рама)
- Рівень вакууму: <1×10–12 мбар, підтримується іонним насосом та масивом геттер-помп
- Магнітне поле: Суперпровідний соленоїд, що забезпечує до 5 Тесла з гомогенністю поля 10–5 Т
- Охолодження: 50 л рідкого гелію в поєднанні з кріоохолоджувачем потужністю 1.5 Вт для повторної конденсації випарів
- Джерело живлення: Двомодовий: 48 В літій-іонна батарея, що забезпечує 2 кВт протягом до 8 годин, плюс інтерфейс для дизельного генератора на борту
- Інструментування: Вбудовані датчики для вимірювання температури, тиску, магнітного поля та вібрацій; дистанційний телеметричний зв’язок через 4G/LTE
Польові випробування та показники продуктивності
Навесні 2025 року пристрій для утримання був завантажений тестовим вантажем протонів (які легше виробляти, ніж антипротони) і переміщений на важкому чотириколісному візку до завантажувального доку CERN у Мейрині. Стандартна вантажівка перевезла пристрій по 3.9 км маршруту, короткочасно перетнувши швейцарський кордон і досягнувши швидкостей до 45 км/год.
Теплова та вакуумна стабільність
Температура в суперпровідній ванні залишалася в межах 5–6 K протягом більшої частини випробування. Два короткі піки до 6.8 K сталися під час повторного підключення до основного електричного живлення CERN, але швидко стабілізувалися. Рівень рідкого гелію знизився з 100% до 60% ємності, вказуючи на випаровування гелію як основний обмежувач витривалості. Тиск вакууму залишався нижче 1×10–12 мбар протягом всього часу.
Вібрації та магнітний шум
Масив акселерометрів зафіксував бічні удари менше 0.2 g під час поворотів, що спричинило незначне розгойдування гелію, але не викликало жодних подій охолодження. Триосний магнітометр підтвердив, що флуктуації зовнішнього поля залишалися нижче 1 нТ, що значно нижче порогу для дестабілізації пастки.
Безвідходний транспорт
Діагностика після транспортування підтвердила, що жоден протон не вийшов за межі утримання, що свідчить про нульові втрати частинок в межах похибки вимірювання (~10–7). Ця безвідходна продуктивність є критично важливою, якщо той же пристрій повинен перевезти цінні антипротони або атоми антиводню між установами.
Виклики в управлінні теплом
Випаровування рідкого гелію під час транспортування підкреслило необхідність або збільшення ємності Дюара, або використання активних кріоохолоджувачів. Поточні дослідження та розробки вивчають пульсові кріоохолоджувачі, які безпосередньо інтегровані з суперпровідною котушкою, щоб зменшити залежність від витратних кріогенів. Прототипні випробування свідчать про десятикратне зниження споживання гелію, що потенційно дозволить подорожувати до 12 годин без поповнення.
Майбутні застосування та мережа установ
CERN веде активні переговори щодо нового Центру дослідження антипротонів, який будується в Дюссельдорфі, Німеччина, приблизно за 800 км. Після запуску ця установа, оснащена захищеними лабораторіями з низьким рівнем шуму, буде проводити точні тести CPT і вимірювання гравітації на антиматерії з чутливістю, що перевищує поточні показники більш ніж у 100 разів.
У довгостроковій перспективі існує інтерес до створення пан’європейської мережі логістики антиматерії, що дозволить проводити порівняльні дослідження на різних магнітних широтах або висотах. Така мережа може сприяти проривам у фундаментальній фізиці та підтримувати нові квантові технології, які використовують унікальні властивості антиматерії.
Регуляторні та безпекові аспекти
Транспортування антиматерії підпадає під дію ряду регуляцій ADR (Європейська угода про міжнародний автомобільний транспорт небезпечних вантажів). Пристрій для утримання відповідає всім критеріям для радіоактивних та вибухових матеріалів, хоча радіаційний підпис антиматерії є незначним при належному утриманні. Протоколи надзвичайних ситуацій включають автоматичне скидання залишкових газів, аварійні охолоджувальні схеми та реальний моніторинг телеметрії в центр безпеки CERN.
Перспективи експертів
“Цей портативний пристрій для утримання є зміною парадигми,” говорить професор Жан-Поль Леметр з Женевського університету. “Він відокремлює дослідження антиматерії високої точності від місця виробництва, відкриваючи нові можливості для розподілених експериментів з низьким рівнем шуму по всій Європі.”
Висновок
Демонстрація CERN транспортного контейнера для антиматерії, придатного для перевезення, вирішує ключові обмеження, пов’язані з магнітним шумом, викликаним пастками, закладаючи основи для фізики наступного покоління. З огляду на виявлені виклики в управлінні теплом та регуляторних аспектах, шлях до транспортування антипартій між лабораторіями стає зрозумілим — змінюючи спосіб і місце вивчення всесвіту антиматерії.