Физики совершили прорыв в изучении антиматерии

Впервые изучив оптический спектр поглощения антиводорода и измерив его атомы, ученые убедились, что частицы и античастицы почти не отличаются друг от друга

Москва. 20 декабря. INTERFAX.RU - Физики международной коллаборации ALPHA впервые пролили свет на антиматерию, измерив атомы антиводорода, пишет The International Business Times. Полученный результат стал подтверждением того, что одна из фундаментальных симметрий нашей Вселенной — CPT-симметрия — сохраняется. Эксперимент стал кульминацией более 20 лет работы научного сообщества CERN.

C 1930-х годов физики полагают, что Вселенная состоит из материи и антиматерии. Мы хорошо знакомы с понятием физической материи, но антиматерия до сих пор остается неуловимым веществом. Однако все может измениться, благодаря недавно опубликованному в журнале Nature исследованию, посвященному антиводороду - антивеществу, противоположному водороду. Данное исследование, по мнению физиков, возвещает новую эру в постижении антиматерии.

"Зеркало" частиц

В конце 1920-х годов, физик Поль Дирак предсказал существование "зеркальных" частиц - противоположных аналогов уже известных электронов и протонов. Дирак утверждал, что эти зеркальные частицы имели противоположный заряд, то есть, что существуют положительный электрон и отрицательный протон - позже получившие название позитрон и антипротон. Позитрон был открыт несколько лет спустя в 1932 году. После его открытия многие все равно сомневались в существовании антипротонов, вплоть до 1955 года, когда на запущенном ускорителе Беватрон был открыт антипротон, что было отмечено Нобелевской премией по физике за 1959 год.

Итак, мир устроен так, что для каждого сорта частиц — электронов, протонов, нейтронов, и т.п. — существуют античастицы (позитроны, антипротоны, антинейтроны). Они обладают той же массой и, если они нестабильны, тем же временем полураспада, но противоположными по знаку зарядами и другими числами, характеризующими взаимодействие. У позитронов та же масса, что у электронов, но только положительный заряд. У антипротонов — заряд отрицательный. Антинейтроны электрически нейтральны, так же как и нейтроны, но обладают противоположным барионным числом и состоят из антикварков. Из антипротонов и антинейтронов можно собрать антиядро. Добавив позитронов, мы создадим антиатомы, а накопив их — получим антивещество. Это всё и есть антиматерия, пишет сайт N+1.

Античастица при встрече со своей частицей аннигилирует: обе частицы исчезают и превращаются в набор фотонов или более легких частиц. Вся энергия покоя превращается в энергию этого микровзрыва. Это самое эффективное превращение массы в тепловую энергию, в сотни раз превосходящее по эффективности ядерный взрыв. Но никаких грандиозных природных взрывов мы вокруг себя не видим; антиматерии в заметных количествах в природе нет. Однако отдельные античастицы вполне могут рождаться в разнообразных природных процессах.

Большой взрыв

Физики полагают, что Вселенная была создана в результате Большого Взрыва миллиарды лет назад. По мере остывания образовались частицы и античастицы в равных количествах. Но менее чем через секунду после Большого взрыва, произошло то, что вызвало асимметрию. Вопрос, куда делось все антивещество, является одной из самых больших загадок физики. До сих пор асимметрия между веществом и антивеществом необъяснима.

CERN

В Европейском центре ядерных исследований (CERN, ЦЕРН), который может по праву гордиться долгой историей исследований антивещества, работает специальный "ускоритель" AD, "Антипротонный замедлитель", который как раз и занимается исследованием антивещества. Он берет пучок антипротонов, охлаждает их (т.е. притормаживает), и дальше распределяет поток медленных антипротонов по нескольким специальным экспериментам.

Синтезировать антиатомы, даже простейшие, атомы антиводорода, уже совсем трудно. В природе они вообще не возникают — нет подходящих условий. Даже в лаборатории требуется преодолеть множество технических трудностей, прежде чем антипротоны соизволят соединиться с позитронами. Проблема в том, что антипротоны и позитроны, вылетающих из источников, все еще слишком горячие; они просто столкнутся друг с другом и разлетятся, а не образуются антиатом.

Антиводород подскажет

Водород является самым распространенным веществом во Вселенной и состоит из одного электрона и одного протона. Справедливости ради стоит сказать, что этот элемент наиболее изучен как в экспериментальной, так и теоретической физике. На протяжении более 30 лет исследователи работали над разгадкой тайны антивещества с использованием антиводорода и, судя по всему, преуспели.

Физики международной коллаборации ALPHA впервые изучили оптический спектр антиводорода и измерили энергию перехода позитрона из основного в первое возбужденное состояние (1S–2S). С точностью в две части на десять миллиардов она совпала со значением, измеренным для обычного атома водорода. Это новое подтверждение того, что одна из фундаментальных симметрий нашей Вселенной — CPT-симметрия — сохраняется. Эксперимент стал кульминацией более 20 лет работы научного сообщества CERN.

CPT (Charge-Parity-Time) симметрия — одно из фундаментальных свойств современных физических теорий. Это симметрия относительно одновременного изменения заряда, замены "право" на "лево" и обращения времени. Согласно ей частицы и античастицы (позитроны и электроны, протоны и антипротоны) почти не отличаются друг от друга: любой процесс в веществе, отраженный в зеркале и запущенный в обратном порядке будет протекать в точности так же, как и тот же процесс в антивеществе. Соответственно, многие свойства вещества и антивещества также будут совпадать, в особенности, их энергетические спектры.

Отклонения в свойствах будет указывать на новую физику за пределами Стандартной модели, которую пытаются отыскать ученые. Например, подобные расхождения предсказываются в некоторых вариантах теории струн.

Антиводород — один из объектов, на которых проходит проверка CPT-симметрии. Как уже отмечалось, для его обычного аналога — водорода — многие свойства хорошо изучены. К примеру, минимальная частота фотона, требующаяся для того, чтобы электрон водорода перешел из основного состояния в первое возбужденное (1S-2S), измерена с точностью лучшей, чем одна часть в ста триллионах. Сравнение величин на таком уровне сильно ограничит любые возможные нарушения CPT-симметрии, предсказываемые экзотическими теориями.

Однако одной из главных сложностей для такого сравнения является сложность синтеза и удержания больших количеств антиводорода, требуемых для получения спектра. Лишь в 2002 году предшественники коллаборации научились синтезировать антиводород в количестве тысячи атомов.

Прорыв

Условное изображение перехода позитрона с основного на первый возбужденный уровень

В новой работе коллаборация впервые измерила оптический спектр поглощения антиводорода, определив энергию для перехода позитрона с основного на первый возбужденный уровень (1S-2S), уточняет сайт N+1. Для этого ученые использовали лазерную двухфотонную спектроскопию захваченных в ловушке атомов. Под термином "двухфотонная" подразумевается то, что позитрон должен поглотить сразу два кванта света, чтобы его энергии хватило для перехода.

По сравнению с предыдущими измерениями ученые усовершенствовали установку, добившись того, чтобы за одну попытку захвата в ловушку попадало около 14 атомов антиводорода — раньше это число составляло в среднем 1,2 частицы. Всего же в каждом акте синтеза из 90 тысяч холодных антипротонов и облака позитронов образовывалось 25 тысяч атомов антиводорода.

Ученые отмечают, что сейчас точность проверки CPT-симметрии еще не предельна, точность — двести триллионных (2×10^-10). Более серьезный тест позволит исследовать форму спектральной линии. По словам физиков, сама работа показывает, что исследования антиматерии достигли поворотной точки: от принципиальных экспериментов к прецизионным измерениям и метрологии.