Очень стабильный антиводород

Физикам эксперимента ALPHA в CERN, занимающегося проблемами антиматерии, удалось стабилизировать молекулы антиводорода в течение рекордно долгого времени – около 17 минут. Это на четыре порядка больше предыдущих времен жизни молекул антиматерии.

Эксперимент Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) расположен на территории CERN вблизи Женевы, на границе Швейцарии и Франции, и является одним из флагманских проектов по получению и изучению антиматерии. Не так давно участники коллаборации сообщили о создании специальной «ловушки», в которой можно «накапливать» стабильные атомы антиматерии. Изначально антивещество получалось лишь в ускорителях и существовало в интервалах времени порядка десятков наносекунд, что делало невозможным детальное изучение его свойств. И вот, технология магнитной ловушки дала новые результаты:

физикам удалось стабилизировать атомы антиводорода на рекордно долгое время – порядка 1000 секунд, или 17 минут.

Работа, посвященная этому достижению, опубликована на сайте препринтов ArXiv.

Достижение столь длительного времени жизни антивещества позволяет напрямую, а не опосредованно изучать его свойства. Этот вопрос ранее был скорее спекулятивным.

Античастицы — «двойники» обычных частиц, имеющие такую же массу и спин. Однако некоторые другие квантовые характеристики античастиц противоположны по своему значению тем же характеристикам частиц, например электрический заряд. При столкновении античастицы и частицы обе они исчезают (этот процесс называется аннигиляцией) и происходит выделение большого количества энергии. Согласно современным представлениям,

после Большого взрыва образовалось одинаковое количество частиц и античастиц, то есть теоретически одинаковое количество вещества и антивещества должны быть полностью уничтожены при взаимодействии, однако этого не произошло, поэтому наш мир существует.

(a) Схема ловушки эксперимента ALPHA. Электроды работают при температуре ~9 K (-264 градуса по Цельсию). Пучок антипротонов подается справа, а позитроны из аккумулятора поступают слева. (b) Магнитное поле в плоскости y-z (ось z идет по оси ловушки, z=0 в центре ловушки). (c) Профиль поля. (d) и (e) Сила удерживающего поля в разных проекциях.

Проведенные оценки показывают, что после Большого взрыва из каждых 10 000 000 000 частиц вещества и антивещества выжила лишь одна частица вещества.
Указанный феномен носит название барионной асимметрии Вселенной, однако до сих пор не совсем понятно, почему уцелело вещество, а не антивещество, в чем их принципиальное различие.

Изучение свойств стабилизированной антиматерии дает надежду разобраться в ее свойствах и, соответственно, причинах существования нашего мира именно в текущей форме.

Антиводород в ловушке получают, сталкивая охлажденные антипротоны (двойники протонов) с позитронами (двойниками электронов). Обычный атом водорода как раз и состоит из одного протона и одного электрона.

Теперь ученым предстоит изучить энергетический спектр антиводорода (и сравнить его со спектром самого водорода), а также понять, как антиматерия участвует в гравитационных взаимодействиях. На этот счет есть самые неожиданные гипотезы, в том числе что она должна взлетать (а не падать) под действием гравитации или вести себя иным совершенно непредсказуемым образом.

Изящная идея антиматерии уже стала модной темой научной фантастики и популярных фильмов (например, «Ангелы и демоны» по книге Дэна Брауна). Соответственно, родилась и масса нездоровых спекуляций и страхов. Физики CERN рассказывают о своей работе, чтобы избежать страхов общества перед проводимыми экспериментами.

На сегодняшний день в одной ловушке им удалось получить уже 309 атомов против предыдущих 38.

Это количество уже позволяет провести эксперименты по воздействию силы тяжести на антиматерию, и физики надеются завершить их в ближайшие месяцы.