Kolejna wia­do­mość z cyklu: tech­no­lo­gię jutra mamy już dziś (poprzed­nia doty­czy­ła chipu wyko­rzy­stu­ją­ce­go ludzkie neurony). Anty­ma­te­ria – ta sub­stan­cja, która według popkul­tu­ry posłuży kiedyś do nisz­cze­nia miast i napę­dza­nia statków kosmicz­nych – po raz pierw­szy opu­ści­ła labo­ra­to­rium. Dokład­nie 92 anty­pro­to­ny udało się zamknąć w meta­lo­wej skrzyn­ce wiel­ko­ści szafy, zała­do­wać do cię­ża­rów­ki i odbyć pół­go­dzin­ną prze­jażdż­kę po drogach kampusu CERN‑u. Po wszyst­kim naukow­cy z pro­jek­tu BASE (ang. Baryon Anti­ba­ry­on Sym­me­try Expe­ri­ment) prze­pro­wa­dzi­li pomiary i orzekli, że podczas ope­ra­cji nie zgu­bio­no ani jednej cząstki.

Demon­stra­cja dowio­dła, że jeste­śmy już w stanie nie tylko pro­du­ko­wać i prze­cho­wy­wać anty­ma­te­rię, ale w razie potrze­by, już wkrótce będzie­my mogli również prze­no­sić ją między pla­ców­ka­mi. (O tym, dla­cze­go to istotne z punktu widze­nia badaczy poga­da­my na koniec).

Nie bali się, że ładunek wybuchnie?

Prawdą jest, że wszyst­kie kłopoty z anty­ma­te­rią zaczy­na­ją się i kończą na tym, że przy kon­tak­cie ze zwykłą materią docho­dzi do anihilacji. 

W sensie fizycz­nym masa obu cząstek znika, zamie­nia­jąc się w deszcz fotonów gamma. Wszyst­ko w zgodzie ze starym, dobrym rów­na­niem E=mc². Ale jeżeli przez wybuch rozu­miesz coś w rodzaju eks­plo­zji dyna­mi­tu, która rozwala cię­ża­rów­kę i zosta­wia w asfal­cie krater, to abso­lut­nie nie było takiego ryzyka. Pamię­taj, że cały czas ope­ru­je­my na pakie­tach cząstek sub­a­to­mo­wych, gdzie masa całego ładunku wyno­si­ła w przy­bli­że­niu 1,5 × 10^-25 kg. Ponad dwa razy mniej od masy poje­dyn­cze­go jądra atomu uranu.

Poten­cjal­ne spo­tka­nie 92 anty­pro­to­nów z 92 pro­to­na­mi zakoń­czy­ło­by się emisją o energii około 28 nano­dżu­li. Żebyś zro­zu­miał: to około 21 razy mniej niż energia kine­tycz­na komara o masie 2 mg lecą­ce­go z pręd­ko­ścią 0,77 m/s. (Zostaw ten kal­ku­la­tor, chodzi mi tylko o rząd wielkości).

Anty­ma­te­ria w pro­du­ko­wa­nych ilo­ściach nie jest więc w żaden sposób nie­bez­piecz­na, ale pozo­sta­je nie­praw­do­po­dob­nie deli­kat­na i droga. Dlatego dowie­zie­nie ładunku bez żadnych strat odbiło się takim echem.

No dobra, to jak transportuje się coś, czego nie można dotknąć?

Pro­po­nu­ję podejść do sprawy prak­tycz­nie i przejść przez cały ten skom­pli­ko­wa­ny proces kroczek po kroczku. A zatem:

Jak przewozić antycząstki?

Prak­tycz­ny porad­nik dla począt­ku­ją­cych (i zaawan­so­wa­nych, bo począt­ku­ją­cy i tak nie posia­da­ją akceleratora).

Krok 1: Zbuduj Fabrykę Antymaterii

Anty­ma­te­ria wcale nie jest sub­stan­cją tak egzo­tycz­ną, jak mogłoby się wydawać. Pozy­to­ny (złe bliź­nia­ki elek­tro­nów) wystę­pu­ją w przy­ro­dzie niemal pospo­li­cie. Docie­ra­ją do nas wraz z pro­mie­nio­wa­niem kosmicz­nym i są emi­to­wa­ne przez każdego banana w trakcie roz­pa­dów potasu K‑40. Problem nie leży w tym, że anty­czą­stek brakuje, tylko w tym, że nie­ła­two gro­ma­dzić je w ilo­ściach użytkowych.

Potrzeb­na jest zor­ga­ni­zo­wa­na taśma pro­duk­cyj­na. Na tę chwilę jedynym miej­scem na Ziemi, które to potrafi na dużą (choć i tak mikro­sko­pij­ną) skalę wytwa­rzać anty­pro­to­ny, jest Fabryka Anty­ma­te­rii pod Genewą. I tak, Anti­mat­ter Factory to ofi­cjal­na nazwa tej części infra­struk­tu­ry CERN‑u.

Jej sercem jest AD (Anti­pro­ton Dece­le­ra­tor), czyli maszyna, która robi rzecz ucho­dzą­cą w świecie fizyki wyso­kich energii za per­wer­sję: nie roz­pę­dza cząstek, tylko je spo­wal­nia. Anty­pro­to­ny rodzą się w wyso­ko­ener­ge­tycz­nych zde­rze­niach, są hamo­wa­ne, porząd­ko­wa­ne i dopiero kie­ro­wa­ne do dal­szych procesów.

Cały ten kom­pleks nie pro­du­ku­je anty­ma­te­rii hurtowo w sensie prze­my­sło­wym. Z Fabryki nie wyjeż­dża­ją skrzy­nie, beczki ani nawet pró­bów­ki anty­ma­te­rii – jedynie pakiety cząstek o masie nie­prze­kra­cza­ją­cej kwa­dry­lio­no­wej części kilo­gra­ma. Jednak to wystar­cza do prze­pro­wa­dze­nia wielu pomy­sło­wych eksperymentów.

Krok 2: NIE wkładaj tego do (zwykłego) pudełka!

Co ty wyczy­niasz? Zostaw to pudełko i folię bąbelkową!

Anty­ma­te­rii nie można ot tak po prostu wsadzić do jakie­goś pojem­ni­ka, ponie­waż jego ściany zbu­do­wa­ne są z materii i każdy kontakt zakoń­czy się ani­hi­la­cją. Tym, czego potrze­bu­jesz, jest pułapka pod posta­cią pola elek­tro­ma­gne­tycz­ne­go. Anty­pro­ton posiada ładunek elek­trycz­ny, więc odpo­wied­nio mani­pu­lu­jąc polem możemy ogra­ni­czyć jego ruch. Stwo­rzyć rodzaj nie­wi­dzial­ne­go kojca dla kwan­to­wych rozrabiaków.

Zespół BASE wyko­rzy­stu­je kla­sycz­ną pułapkę Pen­nin­ga, nazwaną tak na cześć holen­der­skie­go eks­per­ta od plazmy i ter­mo­dy­na­mi­ki. Jest ona kilkoma rze­cza­mi na raz: małym labo­ra­to­rium, krio­ge­nicz­ną lodówką, sejfem próż­nio­wym i elek­tro­ma­gne­sem. Za tę ostat­nią część odpo­wia­da 600-kilo­gra­mo­wy nad­prze­wo­dzą­cy magnes, dzia­ła­ją­cy w tem­pe­ra­tu­rze 8 kel­wi­nów. Wyge­ne­ro­wa­ne pole zmusza cząstkę do nie­ustan­ne­go krą­że­nia po spirali między dwiema elek­tro­da­mi, w górę i w dół, bez doty­ka­nia żadnej mate­rial­nej powierzchni.

Krok 3: Usuń z otoczenia… najlepiej wszystko

Nawet jeśli anty­pro­ton nie dotyka ścianek, to prze­cież nadal może wpaść na zbłą­ka­ną czą­stecz­kę powie­trza, co również dopro­wa­dzi do ani­hi­la­cji. Wytwo­rze­nie dosko­na­łej próżni jest nie­moż­li­we, ale im mniej przy­pad­ko­wych atomów fruwa po pułapce, tym dłużej anty­pro­ton będzie mógł w niej bez­piecz­nie krążyć. Naj­lep­sze urzą­dze­nia opra­co­wa­ne na potrze­by BASE biją pod tym wzglę­dem rekordy, potra­fiąc prze­cho­wy­wać anty­cząst­ki nawet przez rok. W przy­pad­ku prze­no­śne­go BASE-STEP są to średnio dwa tygo­dnie.

Żeby to osią­gnąć, ciśnie­nie wewnątrz komory obniża się do poziomu poniżej 10^-14 Pa, gdzie gęstość nie­chcia­nych molekuł spada do około 200 na cm³. Dla porów­na­nia, na wyso­ko­ści niskiej orbity oko­ło­ziem­skiej, w oko­li­cach Mię­dzy­na­ro­do­wej Stacji Kosmicz­nej (400 km nad ziemią), ciśnie­nie wynosi około 10^-8 Pa – jest milion razy wyższe niż w komorze BASE-STEP. Fizycy kwa­li­fi­ku­ją taki stan jako reżim ultra­wy­so­kiej próżni.

Pro­ce­du­ra obni­ża­nia ciśnie­nia prze­bie­ga w kilku etapach wypom­po­wy­wa­nia (uwaga: zamiast odku­rza­cza lepiej użyć odpo­wied­nich pomp tur­bo­mo­le­ku­lar­nych), prze­dzie­lo­nych “wypie­ka­niem” komory. Chodzi o to, żeby usunąć nawet przy­pad­ko­we mole­ku­ły gazów, które mogły osadzić się na ścian­kach urzą­dze­nia. Resztę roboty odwala fizyka niskich tem­pe­ra­tur. Gdy pułapka zostaje schło­dzo­na do paru stopni powyżej zera abso­lut­ne­go, zmro­żo­ne powierzch­nie zamie­nia­ją się w krio­ge­nicz­ny lep na muchy. Więk­szość atomów, których nie udało się pozbyć, po prostu przy­ma­rza do ścianek, zamiast fruwać gdzie popadnie.

Krok 4: Pamiętaj o chłodzeniu

Skoro jeste­śmy przy tem­pe­ra­tu­rze. Eks­tre­mal­ny chłód to cenny sprzy­mie­rze­niec próżni, ale przede wszyst­kim ma zna­cze­nie dla samych anty­pro­to­nów, a także sprzętu, który je utrzy­mu­je w ryzach.

Surowe anty­pro­to­ny opusz­cza­ją­ce “linię pro­duk­cyj­ną”, mają energię od 3 do 5 GeV (giga­elek­tro­no­wol­tów) i pędzą z pręd­ko­ścia­mi bli­ski­mi pręd­ko­ści światła. Nie da się ich złapać, dopóki nie wytracą energii i nie zwolnią do roz­sąd­nych war­to­ści. Dwie kolejne maszyny zwal­nia­ją­ce – AD (Anti­pro­ton Dece­le­ra­tor) i pier­ścień ELENA (Extra Low Energy Anti­pro­ton ring) – redu­ku­ją tę energię milion razy. Dopiero potem cząstki wpadają do pułapki Pen­nin­ga i są dalej chło­dzo­ne przez kontakt z gęstą chmurą ujemnie nała­do­wa­nych elek­tro­nów. Anty­cząst­ką elek­tro­nu jest pozyton, nie anty­pro­ton, więc może wcho­dzić z nim w inte­rak­cję i odbie­rać nadmiar energii kine­tycz­nej bez natych­mia­sto­wej ani­hi­la­cji. Po nie­ca­łych dwóch minu­tach takich zderzeń tem­pe­ra­tu­ra anty­pro­to­nów spada do 4 kel­wi­nów, czyli ‑269°C.

Druga kwestia dotyczy nad­prze­wo­dzą­cych magne­sów, koniecz­nych do dzia­ła­nia pułapki Pen­nin­ga. Zja­wi­sko nad­prze­wod­nic­twa zanika już powyżej 8,2 kelwina, czyniąc magnes bez­u­ży­tecz­nym kawał­kiem metalu. Pole odpada, anty­pro­to­ny wyla­tu­ją z orbity i ani­hi­lu­ją z pobli­ską materią. Żeby temu zapo­biec, wyko­rzy­stu­je się chło­dze­nie ciekłym helem. W sta­cjo­nar­nym labo­ra­to­rium tego rodzaju krio­tech­ni­ka jest rutyną. Bez stałego pod­łą­cze­nia do prądu, bufor cie­kłe­go helu wystar­cza na cztery godziny auto­no­mii. Każda dłuższa trasa będzie wyma­ga­ła zapa­ko­wa­nia do cię­ża­rów­ki dodat­ko­we­go gene­ra­to­ra, zasi­la­ją­ce­go złożony system chłodzący.

Krok 5: Nie potrząsaj

Twoja pułapka musi wytrzy­mać drgania drogi, zakręty, hamo­wa­nia i – jeśli korzy­stasz z dźwigu (a korzy­stasz, bo maszy­ne­ria swoje waży) – moment pod­no­sze­nia i opusz­cza­nia. BASE-STEP został zapro­jek­to­wa­ny na wytrzy­ma­nie przy­spie­szeń do 1 g w każdym kie­run­ku, co z nawiąz­ką zabez­pie­cza przed stan­dar­do­wy­mi wybo­ja­mi i zakrę­ta­mi towa­rzy­szą­cy­mi prze­jażdż­ce po szwaj­car­skich drogach. Nie­mniej: na wszel­kie wypadek jedź płynnie. Drgania nie są tu tylko pro­ble­mem mecha­nicz­nym, ale też ter­mo­dy­na­micz­nym. Wibra­cje prze­no­szo­ne na elek­tro­dy zabu­rza­ją geo­me­trię studni poten­cja­łu, co de facto “pod­grze­wa” uwię­zio­ne cząstki. Fizycy nazy­wa­ją to pod­grze­wa­niem para­me­trycz­nym. Energia kine­tycz­na cząstki wzrasta na tyle, że w pewnym momen­cie może ona wysko­czyć z pułapki.

Nie wspo­mnia­łem jeszcze o tym, że nasze urzą­dze­nie posiada nie jeden, a dwa stosy elek­trod. Pierw­szy działa jak śluza powietrz­na: podczas zała­dun­ku i roz­ła­dun­ku chroni anty­pro­to­ny przed czą­stecz­ka­mi zewnętrz­nych gazów, które mogłyby prze­do­stać się do układu w czasie otwie­ra­nia połą­czeń (o czym za moment). Drugi służy do dłu­go­ter­mi­no­we­go prze­cho­wy­wa­nia podczas wła­ści­wej trasy. Nie chcemy brawura kie­row­cy uszko­dzi­ła któ­ry­kol­wiek z tych systemów.

Pamię­taj też, że nie trans­por­tu­jesz ryb. Nie możesz uchylić wieczka beczki i po prostu spraw­dzić, czy wszyst­ko z nimi w porząd­ku. Ładunek możesz moni­to­ro­wać wyłącz­nie przy pomocy bez­do­ty­ko­wej, pośred­niej metody detek­cji prądów obra­zo­wych. Anty­pro­to­ny krążące w polu magne­tycz­nym indu­ku­ją deli­kat­ne zabu­rze­nia, które daje się mierzyć. Jeśli takowe wystę­pu­ją, wszyst­ko prze­bie­ga jak należy.

Krok 6: Przeparkuj cząstki

Trans­port to niezłe wyzwa­nie, ale praw­dzi­wy test nerwów zaczyna się dopiero po dotar­ciu do celu. Musimy prze­cież jeszcze prze­trans­fe­ro­wać ładunek z komory BASE-STEP do wyzna­czo­nej insta­la­cji. Nie wystar­czy uchy­le­nie drzwi­czek i cze­ka­nie, aż anty­pro­to­ny grzecz­nie wbiegną do zagrody. Musimy połą­czyć dwa nie­za­leż­ne układy próż­nio­we, dwa zestawy elek­trod i dwie kon­fi­gu­ra­cje pól, tak żeby podczas całej ope­ra­cji nie doszło do przy­pad­ko­wej ani­hi­la­cji, która cofnie nas do punktu pierwszego.

BASE-STEP posiada w prak­ty­ce dwa „poziomy bez­pie­czeń­stwa”. Wła­ści­wy magazyn anty­pro­to­nów to tzw. rese­rvo­ir trap, nato­miast przed nim umiesz­czo­no vacuum lock trap – pułapkę wej­ścio­wo-wyj­ścio­wą, która przej­mu­je na siebie całą brudną robotę zwią­za­ną z łapa­niem i odda­wa­niem cząstek. Pełni ona rolę ana­lo­gicz­ną do śluzy w stacji kosmicz­nej, pozwa­la­jąc na bez­piecz­ny trans­fer zawar­to­ści bez rozszczelnienia.

Na ten segment składa się nie tylko kaskada zaworów, pomp i elek­trod, ale również apa­ra­tu­ra mani­pu­lu­ją­ca kon­fi­gu­ra­cją pola magne­tycz­ne­go. Dzięki niej cząstki można wypro­wa­dzać z głównej komory powoli, par­tia­mi, zliczać je i deli­kat­nie prze­py­chać do przodu, aż zostaną prze­chwy­co­ne przez pole doce­lo­wej pułapki.

Krok 7: Znajdź powód, żeby to robić

Jak widzisz cała ta ope­ra­cja wymaga nieco zachodu, nie wspo­mi­na­jąc o kosz­tach i stresie. Warto więc, żebyś miał napraw­dę dobry powód do prze­wo­że­nia antymaterii.

W przy­pad­ku eks­pe­ry­men­tu BASE chodzi o badania. Fizycy chcą mierzyć wła­ści­wo­ści anty­pro­to­nów – moment magne­tycz­ny, sto­su­nek ładunku do masy – a potem porów­nać te wyniki z pomia­ra­mi zwy­kłych pro­to­nów. To jeden z naj­czyst­szych testów syme­trii CPT, czyli jednej z fun­da­men­tal­nych zasad fizyki cząstek, zgodnie z którą cząstki i odpo­wia­da­ją­ce im anty­cząst­ki powinny być iden­tycz­ne co do joty, z wyjąt­kiem odwrot­ne­go ładunku. 

Naukow­cy BASE osią­gnę­li w tym sek­to­rze pre­cy­zję rzędu dwu­na­stu miejsc po prze­cin­ku, ale uważają, że można ten wynik dalej śru­bo­wać. Tyle tylko, że samo miejsce pro­duk­cji anty­pro­to­nów, nie zawsze jest też naj­lep­szym miej­scem do wyko­ny­wa­nia ultra­czu­łych pomia­rów. Jeśli nie ze względu na brak odpo­wied­niej apa­ra­tu­ry, to w związku z fluk­tu­acja­mi pola magne­tycz­ne­go, gene­ro­wa­ny­mi przez insta­la­cje Fabryki Antymaterii.

Stąd idea trans­por­tu próbek do innych labo­ra­to­riów, takich jak Hein­rich-Heine-Uni­ver­si­tät w Düs­sel­dor­fie, gdzie powsta­je spe­cjal­nie ekra­no­wa­ne labo­ra­to­rium BASE-HHU. W nie­da­le­kiej przy­szło­ści BASE-STEP ma kur­so­wać właśnie między Genewą i Düs­sel­dor­fem (a później innymi ośrod­ka­mi), umoż­li­wia­jąc pro­wa­dze­nie badań, które w CERN-ie nie wcho­dzi­ły w grę.

I to jest dobry powód. Oczy­wi­ście możesz mieć też inny, bar­dziej zło­wiesz­czy, wyra­ża­ny w kilo­to­nach. Powiedz­my skon­stru­owa­nie super­bro­ni, która wymaże z mapy Sosno­wiec. Nie oceniam, ale musisz wie­dzieć, że nawet gdybyś zebrał w jednym miejscu wszyst­ko, co dotąd wypro­du­ko­wa­ła Fabryka Anty­ma­te­rii, nie star­czy­ło­by tego do zago­to­wa­nia wody w czaj­ni­ku. Przy obec­nych moż­li­wo­ściach prze­ro­bo­wych, zgro­ma­dze­nie anty­ma­te­rii w ilości pozwa­la­ją­cej na eks­plo­zję porów­ny­wal­ną z bombą zrzu­co­ną na Hiro­szi­mę, będzie trwało ze sto miliar­dów lat.

Zastrze­że­nie: autor niniej­sze­go porad­ni­ka nie ponosi żadnej odpo­wie­dzial­no­ści prawnej ani moral­nej za próby samo­dziel­nej pro­duk­cji anty­pro­to­nów oraz ani­hi­lo­wa­nia cze­go­kol­wiek w warun­kach domowych.