Физики эксперимента Alpha в CERN создали эффективный способ получения и
стабилизации атомов антиматерии — атомов антиводорода, состоящих не из
электрона и протона, а из соответствующих им античастиц — позитрона и
антипротона. Работу физиков CERN публикует Nature. Создание стабильных
частиц антиматерии позволяет изучить их свойства, в частности, получить
их спектр. Это, в свою очередь, станет очередной проверкой
господствующей теории физики частиц — Стандартной модели, а также
позволит судить о процессах, протекавших сразу после Большого взрыва.
Согласно современным представлениям об эволюции Вселенной, сразу после
Большого взрыва во Вселенной родилось одинаковое количество вещества и
антивещества. 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. То есть теоретически
одинаковое количество вещества и антивещества должны быть полностью
уничтожены при взаимодействии, однако этого не произошло, поэтому наш
мир существует.
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. В 1967 году Андрей
Сахаров сформулировал три условия, выполнение которых было необходимо
для объяснения барионной асимметрии. Одно из этих условий требует
сильного нарушения так называемой CP-симметрии — симметрии между
материей и антиматерией по заряду и пространственным координатам.
Однако, чтобы проверить эту гипотезу, нужно изучить свойства
антиматерии, посмотреть на ее спектр. В свою очередь, для этого нужно
получить сами атомы в достаточных количествах, живущие достаточно долго.
Впервые атом антиводорода наблюдали в 1995 году в эксперименте SP20 на
ускорителе LEAR в CERN, но тогда он существовал только в ускорителе в
течение очень малого времени (порядка 40 нс) и двигался со скоростью,
близкой к скорости света. Всего было зарегистрировано 9 атомов
антиводорода. Такая антиматерия не годилась для изучения свойств,
поэтому ученые начали конструировать «ловушки», в которых ее можно
накапливать и содержать.
Напомним, конструирование таких ловушек осложняется тем, частицы
антиматерии будут аннигилировать при столкновении с любым веществом
стенок, так как все они содержит обычную материю.
Для этого нужно «остудить» антипротоны, снизить их энергию и скорость
движения. CERN — единственный центр в мире, обладающий оборудованием,
специально предназначенным для создания и исследования низкоэнергетичных
антипротонов.
Антипротоны в эксперименте Alfa производятся в условиях вакуума, однако
это не решает проблемы аннигиляции, они остаются окружены обычной
материей. Поэтому, чтобы продлить время жизни антивещества, ученые
«сконструировали» ловушку из очень сильного и сложного по конфигурации
магнитного поля. При сверхнизких температурах в такой ловушке
накапливаются атомы антиводорода, полученные при соединении антипротонов
и позитронов, двигающихся с примерно равными скоростями.
В результате удалось на много порядков увеличить время жизни атомов антиводорода:
в эксперименте Alfa атом антиматерии существует в течение десятой доли
секунды, и этого вполне достаточно для изучения ее свойств.
Всего удалось создать несколько тысяч атомов антиводорода, а 38 из них
прожили достаточно долго, чтобы провести их изучение, говорится в
статье.
«По непонятным пока причинам в природе нет антиматерии. Для нас это
потрясающее и даже немного подавляющее ощущение — смотреть на устройство
ALFA и осознавать, что в нем находятся стабильные нейтральные атомы
антиматерии. Это вдохновляет нас работать еще больше и активнее, чтобы
раскрыть тайны антиматерии», — сказал Джеффри Хангст из Университета
Орхуса (Дания), руководитель коллаборации Alfa, слова которого приводит
пресс-служба CERN.
По современным данным, антиматерии нет не только на Земле, но и вообще
во Вселенной, хотя астрономы искали и продолжают искать ее в самых
отдаленных уголках космоса.
Для обеспечения полной достоверности получаемых научных результатов CERN
старается обеспечить изучение каждого явления двумя независимыми
группами ученых с помощью принципиально разной аппаратуры. Так,
эксперименты CMS и Atlas Большого адронного коллайдера дублируют друг
друга в поисках бозона Хиггса и «новой физики». Есть коллега и у
эксперимента Alfa — это коллаборация Asacusa, где недавно разработана
новая технология получения атомов антиводорода для создания пучка таких
атомов, достаточно интенсивного и стабильного во времени для подробного
изучения. Работа вскоре будет опубликована в Physical Review Letters.
«Мы в CERN используем два альтернативных метода получения и изучения
антиводорода, и, думаю, у антиматерии не получится долго скрывать от нас
свои свойства. Нам еще предстоит большая работа, однако уже сейчас мы
довольны тем, как функционирует техника и идут эксперименты», — добавил
Ясунори Ямазака, представитель коллаборации Asacusa.
Следует отметить, что, несмотря на «пугала» вроде книг Дэна Брауна,
эксперименты с антиматерией не опасны. Хотя «кусочка» антивещества
массой всего один грамм было бы достаточно, чтобы произвести взрыв,
сравнимый со взрывом ядерной бомбы над Хиросимой, накопить такое
количество антиводорода и сохранить его на обозримо долгий срок, как
легко понять из описания экспериментов выше, просто невозможно. В грамме
вещества (и антивещества) содержится около 1 000 000 000 000 000
миллиардов частиц, и для гипотетического производства такого их
количества потребуется время большее чем время жизни Вселенной.
