Ловушка для антиматерии: в CERN измерили спектр антиводорода

Есть ли различие между частицами материи и антиматерии и как их исследуют физики CERN, рассказывает Indicator.Ru.

Исследователям CERN впервые в мире удалось провести спектроскопические измерения атома антиводорода и тем самым добиться цели, давно стоявшей перед физикой антиматерии. Правда, сюрпризов эксперимент не принес: как и предсказывает теория, высокоточные измерения показали спектральную идентичность водорода и антиводорода. Статья об этой работе была опубликована в последнем номере журнала Nature.

Исследуя физику антиматерии, ученые в первую очередь пытаются найти ответ на одну из крупнейших загадок современной физики и понять, куда во Вселенной подевалась антиматерия. Согласно современной физике частиц, то есть Стандартной модели, в момент Большого взрыва образовалось равное количество материи и антиматерии, однако сейчас антиматерии практически нет.

Эта асимметрия до сих пор разгадки не получила. Физики, в частности, надеются, что ответ кроется в различиях, пусть даже самых тончайших, между атомами стандартного вещества и их антикопиями, и неустанно эти различия ищут.

В CERN изучение антиматерии (если быть точнее, атомов антиводорода, состоящих из антипротона и позитрона) началось фактически с 2000 года, когда там был запущен Antiproton Decelerator (AD) — замедлитель протонов, представляющий собой исследовательский синхротрон периметром 182 м, где рождаются пучки антипротонов, которые затем замедляются различными способами примерно в тысячу раз, после чего, еще раз замедлившись, накапливаются в магнитных ловушках и соединяются с позитронами.

AD питает эксперименты, проводимые сразу несколькими проектами. Их задачи частично пересекаются, что вызывает стандартную для CERN конкуренцию между проектами. За прошедшее время ученым удалось увеличить облако накопленных атомов антиводорода с нескольких десятков до сотен и даже тысяч, а также существенно увеличить время удержания этого облака. Сейчас по этим параметрам вперед вышел проект под названием ALPHA-2. Используя модернизированную установку накопления атомов антиводорода, они научились создавать облака численностью до 25 000 антиатомов и удерживать их в течение тысячи секунд, что, собственно, и позволило им проводить спектроскопию антиводорода.

В ловушке — цилиндрической вакуумной камере длиной 280 мм и диаметром 44 мм — были проделаны окна, сквозь которые атомы антиводорода освещались лазерным лучом с длиной волны 243 нм. Фотоны с такой энергией приводят к переходу электрона в атоме водорода из основного состояния в возбужденное (так называемый переход 1S-2S). При таком переходе электрон находится в возбужденном состоянии довольно долго, порядка 1/8 секунды, а затем возвращается в основное, испустив фотон, частота которого отличается от падающего света всего на несколько герц.

Чтобы сравнить, что при таком переходе происходит с водородом и антиводородом, исследователям пришлось создавать сверхчувствительную аппаратуру. В результате они с точностью примерно в две стомиллионных доли процента сумели установить, что реакции водорода и антиводорода на такое облучение совпадают.

Но это только начало. Подчеркивая, что это первое в своем роде спектроскопическое исследование атомов антиводорода, авторы статьи утверждают, что результаты их эксперимента представляют собой первый шаг, поворотный пункт к дальнейшим серьезным метрологическим исследованиям антиматерии.