В этом блоге я неоднократно рассматривал необычные формы вещества, в том числе, мюоний, кварк‑глюонную плазму и даже страпельки. Но моей излюбленной экзотической субстанцией, которую мы научились синтезировать, но пока не можем найти ей применения, является антивещество. Антивещество — это элементарные частицы (позитрон, антинейтрино) и небольшие атомы (антиводород, антигелий), аналогичные обычному веществу по химическим свойствам, но при этом инвертированные по кварковому составу. Первой известной античастицей был позитрон, открытый в 1932 году, и по сей день это самая распространённая из известных античастиц, встречающаяся в природе — позитроны обычны в составе космических лучей. Ранее я рассказывал на Хабре о естественных источниках антивещества, в частности, о пульсарах. А в этой статье попробуем обсудить, насколько реалистично выглядит промышленное производство антивещества, о каких объёмах может идти речь, и для чего можно использовать этот ресурс.

В природе наблюдается фундаментальная асимметрия между веществом и антивеществом — антивещество в природе в макроскопических количествах не наблюдается.

Антивещество и вещество при контакте аннигилируют. Это означает, что вся масса материи и антиматерии, участвующих в реакции, превращается в энергию. Для сравнения — при термоядерной реакции, в ходе которой дейтерий превращается в тритий, лишь около 0,7% материи преобразуется в энергию.

Энергию аннигиляции можно рассчитать по предложенной Эйнштейном формуле E = mc². Продукт аннигиляционной реакции — это в основном высокоэнергетические фотоны. В таком случае плотность энергии составляет около 9×10¹⁶ джоулей на килограмм, что примерно на десять порядков превышает выход энергии от двигателей на химическом топливе, и на несколько порядков больше, чем от ядерных и термоядерных двигателей. Всего несколько миллиграммов антивещества при аннигиляции выделяют энергию, соответствующую тоннам в тротиловом эквиваленте.

Эта формула описывает аннигиляцию 50 г барионной материи. Такой объём энергии высвобождается при взрыве водородной бомбы во много мегатонн, содержится в миллионах баррелей нефти и сопоставим с годовым энергопотреблением небольшой развитой страны.

Таким образом, невозможно создать из антивещества что‑либо, рассчитанное на контакт с веществом, а также невозможно собрать из антивещества какой‑либо макроскопический объект. Но контролируемая аннигиляция антивещества с веществом, буквально атом за атомом, представляет собой идеальное топливо и открывает практически безграничный (на данном этапе развития цивилизации) энергетический рынок. Антивещество содержит достаточно энергии для межзвёздных перелётов или терраформирования.

Как сегодня синтезируют антивещество

В настоящее время антивещество синтезируется преимущественно в форме антипротонов и позитронов, прежде всего в американской лаборатории Фермилаб и в швейцарском центре ядерных исследований ЦЕРН. Антипротон с позитроном образуют атом антиводорода, а молекула антиводорода была замечена в 1990 году; первые опыты по изучению антиводорода ставились коллаборацией ATHENA в 2002 году. Ядро антигелия-3 было получено ещё в 1970 году группой под руководством Юрия Прокошкина на протонном синхротроне У-70 в Институте физики высоких энергий.

До сих пор не существует технологии (неизвестна ядерная реакция), которая порождала бы на выходе только антипротоны. Процесс получения антипротона вероятностный; в ЦЕРН пучок высокоэнергетических протонов с энергией порядка десятков гигаэлектронвольт втемяшивается в мишень из иридия. Эмпирически подсчитано, что на миллион протонов в такой реакции рождается примерно 4 антипротона. Затем антипротоны поступают в замедлитель (Antiproton Decelerator), в котором аннигилируют с молекулярным дейтерием.

В замедлителе полученные античастицы под действием сильных электрических полей разгоняют примерно до 10% скорости света. Молекулярный дейтерий — это газ, как и водород, и в облако этого газа влетают антипротоны. По количеству актов аннигиляции выясняется, сколько антипротонов было получено.

По состоянию на конец 2025 года антипротоны (как одиночные, так и в составе молекул антиводорода) удаётся производить в количестве тысяч атомов в день и миллионов атомов в год. Суммарная годовая наработка антивещества таким методом составляет чуть менее 2 нанограммов. При этом коэффициент полезного действия ЦЕРН‑овского ускорителя для производства антипротонов оценивается в 0,000001%. Дело не в только в мизерном выходе антипротонов, о чём я писал выше, но и в огромных затратах энергии на поддержание работы замедлителя и генерацию магнитного поля.

Кроме того, неэффективность реакции связана с тем, что на создание пары протон‑антипротон требуется очень высокая энергия (энергия покоя антипротона составляет 0,94 ГэВ, а энергия, при которой наблюдается максимальный выход антипротонов — 120 ГэВ). Поскольку столкновения частиц совершенно хаотичны, у столь высокоэнергетических реакций (и даже менее энергетических) возможны и многие другие исходы — деление ядра, рождение пары мюон/каон. Антипротоны зачастую возникают в результате вторичных распадов более тяжёлых частиц.

Уже в 2026 году была опубликована статья об опытах, проделанных в ЦЕРН группой под руководством Эрика Дэвида Хантера. Замедляя антипротоны и охлаждая их до температуры порядка 7 кельвинов, учёным удалось активизировать образование атомов антиводорода, то есть сцеплять голые антипротоны с позитронами. При такой температуре антипротоны не слишком быстро переходят в возбуждённое состояние, поэтому, загоняя в магнитную ловушку плотные пучки антипротонов, Хантер с коллегами смогли получить 2 миллиона атомов антиводорода за 15-минутный прогон. Такой выход более чем в 20 раз выше, чем от традиционных методов, но он не снимает проблему получения антипротонов как таковых.

Хранение антивещества

Коллаборация ALPHA (Лазерный Аппарат для Изучения Физики Антиводорода) в составе CERN разработала для хранения антипротонов специальную ёмкость, называемую «Minimum Magnetic Field Trap». Её основная составляющая — магнитный октуполь, удерживающий антиатомы на безопасном расстоянии от стенок ёмкости и не позволяющие им аннигилировать. Таким образом, антивещество можно хранить только в магнитных «обёртках», никакая твёрдая ёмкость или жидкая среда из обычной материи для этого не подходит.

В рамках эксперимента ALPHA антипротоны пропускаются через ряд физических барьеров, магнитных и электрических полей, а также через электронные облака, всё это делается для охлаждения (замедления) антипротонов.

В свою очередь, низкоэнергетические позитроны образуются в ходе ядерной реакции при распаде натрия-22 (в 90% случаев эта реакция даёт атомы неона, позитроны и гамма‑лучи). Поскольку как антипротоны, так и позитроны обладают электрическим зарядом, их можно удерживать в разных ёмкостях при помощи электрических и магнитных полей. В показанном выше устройстве антипротоны «падают» в ёмкость для получения антиводорода, а позитроны туда «поднимают», подталкивая их в камеру направленными колебаниями магнитного поля. Так удаётся контролируемо увеличивать их скорость, этот феномен называется «авторезонанс».

Готовый антиводород хранится в специальных кольцах, внутри которых поддерживается магнитное поле. Антипротоны и атомы антиводорода в таком кольце постоянно находятся в движении и не контактируют со стенками.

Если потребуется хранить более крупные объёмы антивещества, например, порядка десятков миллиграммов, то для этого могли бы подойти аналогичные электростатические ёмкости, подобные камерам для удержания кубитов при квантовых вычислениях. О таком устройстве под названием «квантовый конвейер» рассказывал на Хабре уважаемый @vsradkevich в статье «Летающие кубиты: квантовый конвейер под управлением магнитного поля». В таком качестве могла бы использоваться криогенная камера, где антиводород содержался бы в виде капельки. Капля — это трёхмерное тело, а поэтому её поверхностным натяжением можно было бы управлять, и в нужный момент выстреливать эту капельку в другую камеру, где она должна аннигилировать и дать энергию.

Производство антиводорода

Таким образом, реалистично выглядит производство антивещества либо в виде позитронов, либо в виде антипротонов и антиводорода. Несмотря на все описанные выше технические сложности и мизерный выход, есть причины, по которым стоит сосредоточиться именно на получении антиводорода. Во‑первых, как позитроны, так и антипротоны обладают электрическим зарядом, а для долговременного хранения лучше подходит нейтральное антивещество (антиатомы). Вот некоторые потенциальные способы индустриализации такого производства.

• Бомбардировка атома антипротоном, движущимся с релятивистской скоростью, с целью вынужденного рождения электрон‑позитронной пары (позитрония). В этом случае возникает небольшая вероятность того, что антипротон образует пару с позитроном и вытеснит электрон, сформировав атом антиводорода.

• Роберт Форвард в 1985 году предложил идею создания космических заводов по производству антивещества, работающих на солнечной энергии. Его замысел заключался в сооружении системы коллекторов протяженностью 100 км для сбора энергии солнечного излучения. Это позволило бы получать десять тераватт мощности — количества, достаточного для обеспечения работы нескольких заводов по производству антивещества на полную мощность и выпуска до грамма антивещества в сутки.

• Наконец, можно подбирать более тяжёлые металлические мишени (наподобие иридиевой, о которой я упоминал выше) и бомбардировать их пучками лазера на свободных электронах — имеющиеся модели показывают, что в такой ситуации выход антипротонов должен существенно возрасти.

При имеющихся темпах производства антиводорода пока не удаётся представить себе (ракетный) двигатель, который работал бы на чистом антивеществе. Как известно, ядерная реакция в атомной бомбе и на атомной электростанции идёт на редком уране-235, а основной изотоп, встречающийся в природе — это малоактивный уран-238. Теоретически, небольшие дозы антипротонов позволили бы запускать цепную реакцию прямо в уране-238 и генерировать поток заряженных частиц, которые давали бы значительно более стабильную и не менее сильную тягу, чем обычная аннигиляция. Согласно некоторым расчётам, всего 45 граммов антивещества и 10 килограммов урана-238 хватило бы, чтобы за два года добраться на такой ракете до Плутона. Объём для хранения такого топлива составляет примерно 500 см³. Аналогичные расчёты показывают, что на 50 граммах антивещества можно добраться до Марса за несколько недель, либо слетать до пояса Койпера и обратно за несколько лет, в рамках одной экспедиции.

Заключение

Упомянутые здесь технологии и наработки наводят меня на мысли о том, что современное понимание антивещества и способы его производства сравнимы с античным пониманием электричества и не более эффективны, чем попытки запитать лампочку от наглаживания пушистой кошки эбонитовой палочкой. Остаётся догадываться, существуют ли в природе тяжёлые антиатомы, более массивные, чем антиводород, антидейтерий и антигелий, какова может быть химия антивещества. По‑видимому, образование позитронов — вполне обычный в природе физический процесс, и об этом свидетельствует не только распад таких изотопов, как натрий-22, но и рождение позитронов в солнечных факелах, впервые зафиксированное в 1973 году. Но путь к наработке антиатомов пока далёк и извилист, посмотрим, куда он приведёт хотя бы в начале 2030-х.