Ученые сделали самое точное измерение антиматерии, и результаты только углубляют загадку, почему существует жизнь, вселенная и все в ней.
Новые измерения показывают, что с невероятно высокой точностью антивещество и вещество ведут себя одинаково.
Тем не менее, эти новые измерения не могут ответить на один из самых больших вопросов в физике: почему, если равные части материи и антивещества образовались во время Большого взрыва, наша Вселенная сегодня состоит из материи?
Вселенная в балансе
Наша вселенная основана на балансе противоположностей. Для каждого типа «нормальной» частицы, состоящей из материи, существует сопряженная античастица той же массы, которая имеет противоположный электрический заряд, создаваемый в одно и то же время. Электроны имеют противоположные антиэлектроны или позитроны; у протонов есть антипротоны; и так далее.
Однако, когда частицы материи и антивещества встречаются, они уничтожают друг друга, оставляя только оставшуюся энергию. Физики утверждают, что в результате Большого взрыва должно было быть одинаковое количество вещества и антивещества, и каждый из них обеспечил бы взаимное уничтожение другого, оставив детскую вселенную лишенной строительных блоков жизни (или чего-то еще, на самом деле). И все же мы здесь, во вселенной, почти полностью состоящей из материи.
Но вот кикер: мы не знаем ни одного исконного антивещества, сделавшего его из Большого взрыва. Так почему же - если антивещество и материя ведут себя одинаково - один тип материи пережил Большой взрыв, а другой - нет?
Один из лучших способов ответить на этот вопрос - как можно точнее измерить фундаментальные свойства вещества и его конъюгатов антивещества и сравнить эти результаты, сказал Стефан Ульмер, физик из Рикена в Вако, Япония, который не участвовал в новом исследовательская работа. Если есть небольшое отклонение между свойствами вещества и коррелированными свойствами антивещества, это может стать первым ключом к решению самой большой проблемы с физикой. (В 2017 году ученые обнаружили некоторые небольшие различия в поведении некоторых партнеров по антивеществу, но результаты не были достаточно статистически сильными, чтобы считаться открытием.)
Но если ученые хотят манипулировать антивеществом, они должны кропотливо сделать это. В последние годы некоторые физики занялись изучением антиводорода или аналога антивещества из водорода, потому что водород - это «одна из вещей, которые мы понимаем лучше всего во вселенной», - сказал соавтор исследования Джеффри Хангст, физик из Орхусского университета в Дании. , Создание антиводорода обычно включает смешивание 90 000 антипротонов с 3 миллионами позитронов для получения 50 000 атомов антиводорода, только 20 из которых улавливаются магнитами в цилиндрической трубке длиной 11 дюймов (28 см) для дальнейшего изучения.
Теперь, в новом исследовании, опубликованном сегодня (4 апреля) в журнале Nature, команда Хангста достигла беспрецедентного стандарта: на сегодняшний день они взяли самое точное измерение антиводорода - или любого типа антивещества. Из 15 000 атомов антиводорода (представьте, что этот процесс смешивания примерно 750 раз), они изучили частоту света, излучаемого или поглощаемого атомами, когда они переходят из более низкого энергетического состояния в более высокое.
Измерения исследователей показали, что энергетические уровни атомов антиводорода и количество поглощенного света, согласованные с их водородными аналогами, с точностью до 2 частей на триллион, значительно улучшили точность предыдущих измерений порядка порядка частей на миллиард.
«Экспериментаторам очень редко удается повысить точность в 100 раз», - сказал Ульмер. Он считает, что если команда Хангста продолжит работу еще 10–20 лет, они смогут повысить уровень точности водородной спектроскопии еще в 1000 раз.
Для Хангста - представителя сотрудничества ALPHA в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN), которая дала эти результаты - это достижение было десятилетиями.
По словам Хангста, отловить и удержать антивещество было главным подвигом.
«Двадцать лет назад люди думали, что этого никогда не произойдет», - сказал он. «Это экспериментальное путешествие, чтобы иметь возможность сделать это вообще».
Новые результаты очень впечатляют, - сказал в электронном письме Live Science физик из CERN Майкл Дозер, который не принимал участия в работе.
«Количество захваченных атомов для этого измерения (15 000) является огромным улучшением по сравнению с собственными записями всего несколько лет назад», - сказал Дозер.
Так что же говорит нам самое точное измерение антивещества? Ну, к сожалению, не намного больше, чем мы уже знали. Как и ожидалось, водород и антиводород - вещество и антивещество - ведут себя одинаково. Теперь мы просто знаем, что они одинаковы при измерении частей на триллион. Однако Ульмер сказал, что измерение 2-частей на триллион не исключает возможности того, что что-то отклоняется между двумя типами материи с еще большей точностью, которая до сих пор не поддалась измерению.
Что касается Хангста, его меньше волнует вопрос о том, почему наша вселенная материи существует так же, как и без антивещества - что он называет «слоном в комнате». Вместо этого он и его группа хотят сосредоточиться на проведении еще более точных измерений и изучении того, как антивещество реагирует с гравитацией - падает ли оно как обычное вещество или может падать?
И Хангст считает, что тайна может быть раскрыта до конца 2018 года, когда ЦЕРН будет закрыт на два года для модернизации. «У нас есть другие хитрости в рукаве», сказал он. "Будьте на связи."
