Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Антиводород: новая эра экспериментов с антиматерией

Аня Грушина, физик

Физики из коллаборации ALPHA при ЦЕРНе впервые измерили энергетический переход у атома антиводорода. Оптическая спектроскопия антиматерии — это не только серьёзный технологический прорыв: этот эксперимент имеет фундаментальное значение для понимания физической картины мира.

Симметрия занимает важное место в понимании физических законов. В наиболее общем смысле симметрия определяет, как физическая система будет себя вести при определённой трансформации, например, что будет, если поменять все электрические заряды на противоположные, зеркально отразить систему относительно некоторой поверхности либо обратить время. Каждая из таких трансформаций по отдельности может нарушить симметрию физических законов. Присутствие магнитного поля, к примеру, «ломает» временнyю симметрию. Но если «связать» три типа трансформаций, о которых идёт речь, то мы получим фундаментальную симметрию, которой должны подчиняться все законы физики. То есть любой процесс «зеркального отражения» Вселенной, в которой все направления движения повёрнуты в обратную сторону, а заряды заменены на противоположные, должен быть таким же, как в «оригинальной» Вселенной. Подобная симметрия названа СРТ, по первым буквам трёх трансформаций, которые они связывают: charge conjugation, parity transformation and time reversal (инверсия заряда, чётности и времени). Современная наука считает СРТ-симметрию фундаментальной, то есть обязательной для всех физических законов.

Первые две трансформации (замена заряда и зеркальное отражение) превращают материю в антиматерию. Согласно теории Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии, но из-за нарушения симметрии материи оказалось больше. Как и почему это случилось — одна из неразрешённых загадок физики. Чтобы её разгадать, нужно проверить, как работают фундаментальные законы физики для антиматерии. К сожалению, проводить прямые эксперименты с антиматерией технически очень сложно: она аннигилирует при контакте с материей.С момента первого синтеза атомов антиводорода прошло 20 лет, и с тех пор физики научились контролировать энергию антиатомов, а также разработали специальные ловушки, с помощью которых антиводород удерживается от аннигиляции на протяжении 18 минут (примерно 1000 секунд).

Соблюдение CPT-симметрии требует, чтобы энергетические уровни антиводорода были такими же, как у водорода. Измерение перехода 1S—2S в атоме антиводорода положило начало скрупулёзной проверке СРТ-симметрии на прочность.

Напомним, что любой атом материи состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. В зависимости от химического элемента варьируются масса и размер ядра, а также количество электронов. Они занимают так называемые энергетические уровни: чем ближе электрон к ядру, тем меньше его энергия, но из-за запрета Паули все электроны не могут находиться на одном и том же энергетическом уровне. В спектроскопических экспериментах атом облучается светом с определённой энергией. При поглощении фотона, который соответствует энергетической разнице между двумя энергетическими уровнями, электрон переходит в возбуждённое состояние, что соответствует его «перескоку» на более высокий энергетический уровень. Через какое-то время электрон возвращается в основное состояние, переиспуская фотон, либо преобразует разницу в энергии в тепловые колебания.

Почему именно антиводород привлекает такое внимание физиков? Во-первых, водород — самый изученный химический элемент всей таблицы Менделеева. Спектры поглощения водорода досконально исследованы и повсеместно используются, например в астрономии. Во-вторых, антиводород состоит из антипротона и позитрона, то есть нужно «перемешать» всего два ингредиента, что существенно облегчает и без того сложную задачу по синтезу.

Сегодня крупнейший центр по исследованию антиматерии находится в ЦЕРНе, где несколько экспериментов построено вокруг так называемого Антипротонного замедлителя: ALPHA, ATRAP, ASACUSA и BASE. Помимо уже работающих экспериментов ещё два готовятся выйти на старт.

Антипротонный замедлитель — уникальная установка, производящая низкоэнергетические антипротоны, которые можно использовать для экспериментов с антиматерией. Откуда берутся антипротоны в первую очередь? Пучок протонов, разогнанный протонным синхротроном, направлен в металлическую мишень. Столкновение даёт большое количество вторичных частиц, среди которых попадаются и антипротоны. Но их энергия слишком высока для образования атомов антивещества, более того, они все двигаются в разных направлениях. Поэтому сначала их фокусируют и фильтруют с помощью электромагнитных линз, после чего пучок антипротонов направляется в замедлитель. Он составлен из магнитов, «сгибающих» и фокусирующих пучок частиц, а электрическое поле существенно замедляет антипротоны на протяжении нескольких циклов, пока их скорость не снизится до 1/10 скорости света. После этого антипротоны готовы для образования антиводорода. Пучок антипротонов «совмещают» с пучком позитронов, испускаемых специальной радиоактивной мишенью. В результате многолетних усовершенствований оборудования в установке «ALPHA-2» удалось достичь выхода около 25 000 атомов антиводорода из 90 000 антипротонов (время смешивания составляло около 15 минут).

Бóльшая часть получившихся атомов антиводорода не подходят для спектроскопии, потому что они находятся в возбуждённом состоянии. Поэтому исследователи выпускают «горячие» атомы из ловушки и оставляют самые медленные атомы с наименьшей энергией. После двух последовательных шагов «сортировки» в ловушке остаётся в среднем 14 атомов антиводорода на одну попытку. (Это на порядок лучше, чем предыдущий результат, когда в ловушке в среднем регистрировали 1,2 атома.) Для сравнения: обычную оптическую спектроскопию «холодных» атомов водорода проводят с 1012 атомами в ловушке.

Во время эксперимента атомы антиводорода находятся в камере с ультраглубоким вакуумом — специальная магнитная ловушка удерживает их там на протяжении примерно 10 минут. За это время антиатомы успевают перейти в основное, невозбуждённое, состояние, и с ними уже можно проводить спектроскопические эксперименты. Ультрафиолетовый лазер с длиной волны 243 нм «перекидывает» позитрон с 1S-орбитали на 2S-орбиталь в результате двухфотонного поглощения — так называют нелинейный оптический эффект, при котором одновременное поглощение двух фотонов «складывает» их энергию и эквивалентно поглощению одного фотона с вдвое меньшей длиной волны.

Переход 1S—2S, первый из серии Лаймана, соответствует длине волны 121,6 нм. В атомах водорода это один из самых долгоживущих энергетических переходов, время его жизни составляет 1/8 секунды. При переходе в возбуждённое состояние у антиводорода есть несколько сценариев дальнейших событий: вернуться в основное состояние, испустив один или два фотона, потерять позитрон в процессе ионизации или перевернуть спин позитрона. Последние два сценария ведут к побегу антиатома или его составляющих из ловушки и аннигиляции. Через 10 минут после начала эксперимента ловушка выключается и все антиатомы аннилигируют. Отследить процесс аннигиляции с помощью специального детектора важно: именно аннигиляция служит конечным доказательством того, что в ловушке действительно находилась антиматерия. При этом ещё надо учитывать, что детектор «фонит» из-за космических лучей, которые попадают на детектор (и на всё вокруг, включая нас с вами).

Физики подтвердили идентичность 1S—2S-перехода у антиводорода и CPT-инвариант с точностью до 2x10–10. Следующий этап эксперимента — уточнить форму линии поглощения антиводорода, измерить сверхтонкую структуру перехода, увеличить спектр облучения и узнать, как ведут себя другие энергетические переходы антиводорода. Это важно, поскольку многие теории, которые пытаются выйти за рамки Стандартной модели и объединить гравитацию с остальными фундаментальными силами, например теория струн, подразумевают нарушение СРТ-симметрии. Подобные эксперименты помогут исключить наименее реалистичные теории. С другой стороны, пока что нельзя точно утверждать, что СРТ действительно является фундаментальной симметрией.

Так или иначе, результаты эксперимента, опубликованные в журнале «Nature» в декабре 2016 года, — поворотный момент в исследованиях антивещества, поскольку физики перешли от экспериментов, направленных на демонстрацию принципиальной возможности создавать и удерживать антиматерию, к непосредственным экспериментам по высокоточному сравнению метрологии водорода и антиводорода и тщательной проверке СРТ-симметрии, и к тому, как объяснить преимущество материи над антиматерией после Большого взрыва.

***

Подробности для любознательных

История антиводорода

1905, 30 июня

Немецкий журнал «Анналы физики» опубликовал статью «Об электродинамике движущихся тел» молодого сотрудника патентного бюро Альберта Эйнштейна. Эта статья положила начало специальной теории относительности, которая описывает отношения между пространством и временем, а также между энергией и массой с помощью формулы Е = mс2.

1912, 7 апреля

Австрийский физик Виктор Гесс открыл космические лучи — естественный источник высокоэнергетических частиц. Он предпринял полёт на воздушном шаре во время почти полного солнечного затмения, измеряя степень ионизации атмосферы вплоть до высоты 5300 м. Поскольку ионизация атмосферы не уменьшилась с высотой даже во время затмения, Гесс сделал вывод, что существует источник излучения, который находится далеко в космосе.

1920—1930

Эрвин Шрёдингер и Вернер Гейзенберг применили концепцию Планковских квантов энергии к атому и его частям, в результате чего родилась квантовая теория.

1928, 2 января

Опубликована статья Поля Дирака «Квантовая теория электрона» с уравнением, которое совмещает квантовую теорию со специальной теорией относительности и описывает движение электрона с релятивистской скоростью. Уравнение предполагает существование античастиц, поскольку у него есть два решения: одно — для электрона с положительной энергией, другое — с отрицательной.

В своей нобелевской лекции Поль Дирак предсказывает существование антиматерии: «Если мы допустим полную симметрию между положительным и отрицательным зарядом, то, в соответствии с фундаментальными законами природы, мы должны считать то, что Земля и, предположительно, Солнечная система преимущественно состоят из отрицательных электронов и положительных протонов, случайностью. Вполне вероятно, что некоторые звёзды устроены противоположным образом, и они могут состоять из позитронов и отрицательных протонов. Вообще говоря, возможно, количество звёзд обоих типов одинаково. Они должны иметь идентичные спектры, и современная астрономия не в состоянии отличить один тип звёзд от другого».

1932, 9 сентября

Карл Андерсон открыл существование позитрона во время изучения космических лучей в пузырьковой камере.

1934, 20 февраля

Эрнест Лоуренс запатентовал циклотрон — устройство для ускорения частиц с использованием высокого напряжения. Установка в Калифорнийском университете в Беркли использовалась для бомбардировки мишеней из различных материалов разогнанными частицами, что привело к синтезу новых радиоактивных элементов. Так было положено начало ядерной физики высоких энергий.

1954

Под руководством Лоуренса в Радиационной лаборатории в Беркли построен Беватрон, название которого произведено от «биллиона электронвольт» (в современной физике для этого значения используется приставка «гига»).

1955, 1 ноября

Оуэн Чемберлен, Эмилио Сегре, Клайд Виганд и Томас Ипсилантис из Радиационной лаборатории опубликовали статью об открытии антипротона.

1956, 3 ноября

Брюс Корк, Глен Ламбертсон, Оресте Пиччоне и Вильям Венцель из той же лаборатории опубликовали статью об открытии антинейтрона. Это открытие доказало, что каждая частица, из которых состоит атом, имеет античастицу.

1964, 27 июля

Джеймс Кронин и Вал Фитч из Брукхейвенской национальной лаборатории экспериментально обнаружили нарушение СР-симметрии, — слабое взаимодействие происходит по-разному для материи и антиматерии.

1965, 1 сентября

Впервые было синтезировано ядро антиатома, составленное из пары антипротон—антинейтрон. Открытие совершили одновременно две группы физиков: одна — под руководством Антонио Зикики из ЦЕРНа и другая — Леона Ледермана из Брукхейвенской национальной лаборатории.

1978, 18 августа

В ЦЕРНе научились хранить антипротоны в течение 85 часов. До этого физикам удавалось удержать антипротоны всего на десятитысячную долю секунды.

1981, 4 апреля

В ЦЕРНе зарегистрированы первые столкновения между протонами и антипротонами группой под руководством Симона ван дер Меера и Карло Руббиа. Установка, используемая для этого эксперимента, также позволила наблюдать кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны.

1995, 15 сентября

Группа физиков под началом Вальтера Олерта из ЦЕРНа синтезировала первые атомы антиводорода, зарегистрированные благодаря аннигиляции.

1997, 7 февраля

ЦЕРН принял проект строительства антипротонного замедлителя.

2002

В двух экспериментах под крышей ЦЕРНа — ATHENA и ATRAP — синтезировали тысячи антиатомов. Физики научились охлаждать антиатомы, то есть замедлять их движение настолько, чтобы можно было успеть изучить их свойства до того, как они аннигилируют.

2011, 5 июня

ALPHA — одна из новых экспериментальных установок на базе ЦЕРНа, благодаря которой получилось удержать охлаждённые атомы антиводорода на протяжении 1000 секунд.

2011, 28 июля

ASACUSA — «сосед» ALPHA, в прямом и переносном смысле, — оба эксперимента получают антипротоны из общего антипротонного замедлителя. Физики из ASACUSA смогли измерить массу атома антиводорода с высокой точностью.

2012, 7 марта

Коллаборация ALPHA опубликовала результаты первой позитронной парамагнитной спектроскопии атома антиводорода. Резонансное микроволновое излучение в сильном магнитном поле «перевернуло» спин позитрона, вследствие чего магнитный момент антиводорода изменился, атом покинул ловушку и аннигилировал.

2015, 12 августа

Коллаборация BASE произвела высокоточное сравнение отношения массы к заряду протона и антипротона.

2016, 12 ноября

Антипротоны в резервуаре BASE отпраздновали первый день рождения.

2016, январь

Опубликованы результаты эксперимента ALPHA: измерено точное значение электрического заряда антиводорода и подтверждена электронейтральность антиатома.

ЦЕРН строит новое кольцо замедлителя для антипротонов, которое будет носить имя ELENA. Этот 30-метровый в окружности замедлитель сможет производить плотный пучок более медленных антипротонов и подводить их к четырём экспериментам одновременно.

По материалам CERN.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Наука. Вести с переднего края»