Физики впервые измерили оптический спектр антиматерии

Физики впервые измерили спектр излучения антиматерии.
Фото Maximilien Brice/CERN.

Читайте нас в Telegram

После двух десятилетий исследований физики из ЦЕРН сообщили, что впервые получен спектр света, испущенного атомами антиматерии. Результаты показали, что антиводород является точным "отражением" обыкновенного водорода. Казалось бы, зачем подтверждать то, в чём учёные уверены? Но в науке иначе нельзя — любые утверждения должны быть подтверждены экспериментально. И неважно, о какой области исследований идёт речь.

Полученные данные, которые окончательно подтверждают то, что уже было давно предсказано законами физики, открывают новый способ проверки специальной теории относительности Эйнштейна. Кроме того, полученные результаты могут помочь учёным разгадать одну из самых больших загадок современной физики – почему во Вселенной существуют гораздо больше обычной материи, чем антиматерии?

Естественно, не каждый человек знаком с этой проблемой. В связи с этим предоставим некоторую справочную информацию.

Законы физики предполагают, что у каждой частицы обыкновенной материи есть "двойник" – античастица. Например, для отрицательно заряженного электрона это положительно заряженный позитрон.

Всё это означает, что, например, для атома водорода существует антипод антиводород. И точно так же, как атом водорода состоит из электрона и протон, антиводород состоит из антиэлектрона (он же позитрон) и антипротона.

Если античастице удаётся отыскать обыкновенную частицу, то они уничтожают друг друга (аннигилируют), высвобождая энергию в виде электромагнитного излучения. Но подобное обстоятельство создаёт сразу две большие проблемы.

Во-первых, раз существует так много обыкновенной материи во Вселенной, то физикам будет сложно (практически невозможно) отыскать в природе антиматерию. По той причине, что она будет уничтожена ещё до того, как её удастся получше изучить (от контакта с материей и аннигиляции её никак не удержать).

Вторая проблема заключается в вопросе, почему в мире наблюдается так много обыкновенной материи, но её "двойника" мы почти не встречаем? Ведь у частицы и античастицы одинаковы практически все свойства, кроме заряда.  Естественно было бы ожидать, что после Большого взрыва образовалось равное количество материи и антиматерии. Но в таком случае современная Вселенная должна была бы состоять из пустоты, наполненной излучением. Всё по той же причине — частицы материи, встречая своих "коллег" из антиматерии, должны были исчезать.

Тот простой факт, что человек и всё, что они видит вокруг себя, существует, означает, что обычной материи почему-то образовалось больше, чем антиматерии. Но почему? "Пока у нас нет ни одной достойной идеи, объясняющей причину этого", — говорит официальный представитель коллаборации ЦЕРНа ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) Джеффри Хэнгст (Jeffrey Hangst).

Правда, свойства вещества и его "двойника" не совсем одинаковы. Больше полувека известно тонкое отличие, которое называется нарушением CP-симметрии. Но пока оно наблюдалось только в экспериментах с довольно экзотическими частицами. Протоны, электроны и нейтроны, из которых и состоит окружающее нас вещество, такого свойства не демонстрируют.

Чтобы выяснить, почему всё-таки в мире вещества больше, чем антивещества, нужно изучать антиматерию экспериментально. Именно поэтому так важно нынешнее исследование.

"Новая работа является историческим моментом в многолетних усилиях, направленных на создание антиматерии и сравнении её свойств со свойствами материи", — говорит физик-теоретик Алан Костелецкий (Alan Kostelecky) из Университета Индианы.

Последние 20 лет исследователи коллаборации ALPHA пытались выяснить, как создать достаточное количество атомов антиводорода, чтобы получить шанс изучить их. И вот наконец-то они придумали способ, позволяющий им создать порядка 25 тысяч атомов антиводорода в течение 15 минут, а затем "поймать" около 14 из них. Кстати, предыдущие методы позволяли ловить только 1,2 атома антиводорода в течение каждых 15 минут.

Затем исследователи облучали лазерным лучом пойманные частицы, чтобы заставить их позитроны "перепрыгивать" с низкого энергетического уровня на более высокий. По мере того как позитроны затем возвращались на более низкий уровень энергии, они излучали свет, который физики и изучали.

Исследователи сравнили этот свет с тем, который в аналогичном процессе излучает атом обыкновенного водорода. "Сделать это было необходимо, чтобы мы поняли, подчиняются ли атомы "двойника" тем же законам физики. Это было ключевой целью исследования антиматерии", — говорит Хэнгст.

И здесь самое интересное: выяснилось, что атомы антиводорода испускают фотоны той же частоты, что и обычные атомы водорода. Полученный результат никак не противоречит Стандартной модели физики элементарных частиц, согласно которой и было предсказано, что водород и антиводород будут иметь одинаковый спектр испускаемого света.

"Я давно считал, что антиматерия – это точное отражение материи. Теперь мы начинаем получать доказательства того, что это действительно так", — говорит специалист Тим Тарп (Tim Tharp) из коллаборации ALPHA.

 

Прорывное исследование опубликовано в научном издании Nature.

Сегодня