Проведено наблюдение спектра антиводорода

Джо Маунт
1 июня 2017 г.

Эксперимент, осуществленный при помощи ALPHA-2 (аппарат для получения антиводорода с помощью лазерного излучения), позволил провести первые наблюдения, сравнивающие свет, испускаемый атомами водорода из антивещества, со светом, испускаемым атомами водорода, взятыми из обычного вещества. Результаты показывают, что материя и антиматерия отличаются друг от друга в пределах 200 частиц на триллион, что является важной вехой для исследований в области физики антиматерии и частиц в целом.

ALPHA является одним из многих международных научных коллективов, работающих в лабораториях ЦЕРНа (Европейский центр ядерных исследований — CERN) недалеко от Женевы (Швейцария). Он генерирует и удерживает атомы антиводорода, антивещества — двойника водорода, простейшего атома. Это позволяет проводить точные сравнения между ними, чтобы более полно понять физический процесс, связанный с существованием антиматерии.

Аппарат ALPHA-2 в ЦЕРНе. Источник: Maximilien Brice/CERN

Точная природа антивещества — один из нерешенных вопросов современной физики. Гипотеза о существовании антиматерии была впервые выдвинута Полем Дираком в 1928 году и более тщательно проработана Дираком и Робертом Оппенгеймером в 1931 году. Они предсказали, что некоторые физические процессы будут рождать частицы, идентичные хорошо известному электрону или протону, за исключением того, что они будут иметь противоположный электрический заряд. Хотя эта идея в сообществе физиков была встречена с некоторым скептицизмом, существование «антиэлектрона» (более известного как позитрон) было экспериментально доказано в 1931 году Полом Андерсоном. С тех пор аналоги антивещества были найдены в отношении всех известных фундаментальных частиц.

Однако то, что озадачивало ученых почти целое столетие, — это дисбаланс между количеством во Вселенной обычной материи и антиматерии. Стандартная модель, — наиболее передовая теоретическая конструкция в физике элементарных частиц на сегодняшний день, — предполагает, что в первые мгновения после Большого взрыва должны были возникнуть равные количества материи и антиматерии. Это полностью противоречит как человеческому опыту на Земле, так и всем астрономическим наблюдениям. Установлено, что практически все, существующее в природе, состоит исключительно из одной половины первичного материала — обычной материи.

Более того, когда частица материи сталкивается со своей античастицей, они аннигилируют, подтверждая справедливость эйнштейновской эквивалентности массы и энергии, когда обе частицы превращаются в мощное излучение. Учитывая это, Стандартная модель также предполагает невозможность развития каких-либо астрономических структур, поскольку происходит постоянно превращение частиц в свет и наоборот — и так до бесконечности.

Новая трактовка состоит в том, что, хотя физический процесс, лежащий в основе Большого взрыва, породил равное количество материи и антиматерии, гипотетическая и пока еще необъяснимая причина вызвала небольшой дисбаланс в этом процессе, так что после масштабной аннигиляции выжила одна частица из миллиарда частиц обычного вещества. Эти оставшиеся частицы и есть то, что мы теперь называем материей, в то время как антиматерия существует только в виде экзотических частиц, наблюдаемых в космических лучах, ядерном синтезе и других явлениях, связанных с высокими энергиями.

ALPHA предоставляет новый инструмент для исследования основной причины возникновения асимметрии вещества-антивещества путем изучения длины волны света, испускаемого захваченным атомом антиводорода, когда электрон перемещается между энергетическими уровнями. Эта длина волны (аналогичная определенному цвету спектра) в течение десятилетий используется для изучения внутренней структуры обычного водорода и в настоящее время применяется учеными коллектива ALPHA, чтобы начать подобные исследования также в отношении антиводорода.

Как объяснил представитель ALPHA Джеффри Хангст, «использование лазера для наблюдения за переходом в антиводород и сравнения его с водородом с целью увидеть, подчиняются ли они одним и тем же законам физики, всегда было ключевой целью исследования антивещества».

Магнитный уловитель аппарата ALPHA-2, удерживающий атомы антиводорода. Источник: Niels Madsen

Для получения антиводорода ALPHA берет 90 тысяч антипротонов, производимых антипротоновым замедлителем ЦЕРНа, и смешивает их с 1,6 миллионом позитронов, что дает в ходе одного перемешивания примерно 25 тысяч атомов антиводорода. Из этого в среднем 14 антиатомов улавливаются для исследования. Хотя количество захваченных антиатомов при смешивании может показаться небольшим, оно на порядок больше, чем было достигнуто в ходе предшествующих исследований. Это позволяет добиться высокой точности измерений.

Основная техническая проблема, с которой сталкивается ALPHA, состоит в том, как не допустить взаимодействия антиводорода с каким-либо водородом, в результате чего он превращается в энергию, как описано выше. Чтобы избежать этого, атомы помещаются в вакуум и приводятся в состояние покоя в условиях сильного магнитного поля, создаваемого мощными электромагнитами, — с использованием технических средств, которые были усовершенствованы с тех пор, как ЦЕРН в 1995 году впервые получил антиводород.

Затем атомами антиводорода манипулируют, используя точно настроенные лазерные лучи, вводимые через окна вакуумной камеры. Наблюдая, как антиводород реагирует на лазер и магнитное поле, физики могут исследовать внутренние свойства антиводорода, принципиальное отличие которого от водорода до сих пор точно не установлено.

Хотя это не проливает нового света на разницу между веществом и антивеществом, такое изучение действительно открывает многообещающий новый путь вперед. Уже сейчас коллектив ALPHA разрабатывает ряд усовершенствований и новых методов, чтобы повысить точность своих измерений в опытах по нахождению и измерению любой асимметрии вещества и антивещества. Работа проводится наряду с другими научными проектами в ЦЕРНе, включая ASACUSA и BASE, которые трудятся над тем, чтобы проникнуть в эту загадочную тайну.