В CERN подтвердили симметрию материи и антиматерии

Один из экспериментов в CERN — ALPHA-2 — детально изучил спектр антиводорода и не нашел отличий от обычного водорода с точностью 4 части на 10 000. Продолжение изучения спектральных характеристик антиматерии может привести к открытию эффектов вне рамок современных физических представлений и помочь понять, почему во Вселенной обычной материи намного больше. Статья с описанием результатов опубликована в журнале Nature.

Антиводород — это версия водорода из антиматерии: он состоит из антипротона, вокруг которого движется антиэлектрон (позитрон). Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, многие физические свойства водорода и антиводорода, в частности сверхтонкое расщепление спектра, должны быть абсолютно одинаковыми. Сверхтонкое расщепление линий излучения атома возникает вследствие взаимодействия между магнитными моментами электронов и ядра. Различные взаимные ориентации спинов электронов и ядер обладают разными энергиями, что приводит к разделению уровней энергии (и вместе с ними спектральных линий). Эта характеристика для обычного водорода изучена с точностью несколько частей на 10¹³.

Эксперимент ALPHA-2 создает антиводород из компонентов: антипротоны создаются в процессах взаимодействия протонов и металлических объектов в протонном синхротроне, а затем тормозятся в замедлителе антипротонов, а позитроны рождаются в процессах радиоактивного распада. В типичном случае комбинируются плазмы из 90 000 антипротонов и 1,6 миллионов позитронов, которые в результате формируют 25 000 атомов антиводорода. Большинство из них обладает слишком большой кинетической энергией, поэтому для измерения оставляют лишь пару десятков. Затем они отправляются в магнитную ловушку, где их облучают микроволновым излучением. Если частота падающей волны совпадает с определенными переходами, то антиводород покидает ловушку и аннигилирует на ее стенке.

Экспериментальные данные собираются путем медленного изменения частоты падающего излучения и отслеживанием количества актов аннигиляции. В результате было получено два пика, которые соответствуют сверхтонкому расщеплению энергетических уровней. Соответствующая разница частот получилась 1420 ± 0,5 МГц, что в пределах ошибок измерения совпадает с данными для обычного водорода. Описанные результаты не выявили никаких нарушений симметрии между материей и антиматерией, но авторы не собираются останавливаться на достигнутом: в их планах измерение форм спектральных линий антиводорода, которые могут указать на новые физические явления.