С тех пор, как в начале 20-го века было предложено существование антивещества, ученые стремились понять, как относится к нормальной материи и почему существует явный дисбаланс между ними во Вселенной. Для этого в последние несколько десятилетий физика элементарных частиц сфокусировалась на античастице самого элементарного и распространенного атома во Вселенной - антиводородной частице.
До недавнего времени это было очень сложно, так как ученые могли производить антиводород, но не могли изучать его еще долго, пока он не уничтожился. Но согласно недавнему исследованию, которое было опубликовано в Природа, команда, использующая эксперимент ALPHA, смогла получить первую спектральную информацию об антиводороде. Это достижение, которое длится 20 лет, может открыть совершенно новую эру исследований в области антивещества.
Измерение того, как элементы поглощают или испускают свет, то есть спектроскопия, является основным аспектом физики, химии и астрономии. Он не только позволяет ученым характеризовать атомы и молекулы, но и позволяет астрофизикам определять состав далеких звезд, анализируя спектр излучаемого ими света.
В прошлом было проведено много исследований спектра водорода, который составляет примерно 75% всей барионной массы во Вселенной. Они сыграли жизненно важную роль в нашем понимании материи, энергии и эволюции множества научных дисциплин. Но до недавнего времени изучение спектра его античастицы было невероятно трудным.
Для начала требуется, чтобы частицы, составляющие антиводород - антипротоны и позитроны (антиэлектроны) - были захвачены и охлаждены, чтобы они могли объединиться. Кроме того, тогда необходимо поддерживать эти частицы достаточно долго, чтобы наблюдать за их поведением, прежде чем они неизбежно вступят в контакт с нормальным веществом и уничтожат его.
К счастью, за последние несколько десятилетий технология достигла такого уровня, что сейчас стало возможным исследование антивещества, что дает ученым возможность определить, соответствуют ли физики, стоящие за антивеществом, Стандартной модели или выходят за ее пределы. Как исследовательская группа CERN, возглавляемая доктором Ахмади из физического факультета Университета Ливерпуля, указала в своем исследовании:
«Стандартная модель предсказывает, что после Большого взрыва в изначальной Вселенной должно было быть равное количество вещества и антивещества, но сегодня наблюдается, что Вселенная состоит почти полностью из обычной материи. Это побуждает физиков тщательно изучать антивещество, чтобы увидеть, есть ли небольшая асимметрия в законах физики, которые управляют двумя типами материи ».
Начиная с 1996 года, это исследование проводилось с использованием эксперимента с аппаратом AnTiHydrogEN (ATHENA), который входит в состав установки CERN для замедления антипротонного замедления. Этот эксперимент был ответственен за захват антипротонов и позитронов, а затем охлаждение их до точки, где они могут объединиться, чтобы сформировать анитодород. С 2005 года эта задача стала обязанностью преемника ATHENA, эксперимента ALPHA.
Используя обновленные инструменты, ALPHA захватывает атомы нейтрального антиводорода и удерживает их в течение более длительного периода, прежде чем они неизбежно аннигилируют. В течение этого времени исследовательские группы проводят спектрографический анализ с использованием ультрафиолетового лазера ALPHA, чтобы определить, подчиняются ли атомы тем же законам, что и атомы водорода. Джеффри Хангст, представитель сотрудничества ALPHA, объяснил в обновлении CERN:
«Использование лазера для наблюдения за переходом в антиводороде и сравнение его с водородом, чтобы увидеть, подчиняются ли они одним и тем же законам физики, всегда было ключевой целью исследования антиматерии… Перемещать и захватывать антипротоны или позитроны легко, потому что они являются заряженными частицами. Но когда вы объединяете их, вы получаете нейтральный антиводород, который гораздо сложнее уловить, поэтому мы разработали очень специальную магнитную ловушку, которая основана на том факте, что антиводород немного магнитный ».
Таким образом, исследовательская группа смогла измерить частоту света, необходимую для перехода позитрона от его самого низкого энергетического уровня к следующему. Они обнаружили, что (в экспериментальных пределах) не было различий между данными спектра антиводорода и водородом. Эти результаты являются экспериментальными, так как они являются первыми спектральными наблюдениями, когда-либо сделанными для атома антиводорода.
Помимо возможности впервые провести сравнение между веществом и антивеществом, эти результаты показывают, что поведение антивещества в отношении его спектрографических характеристик - соответствует Стандартной модели. В частности, они соответствуют так называемой симметрии Charge-Parity-Time (CPT).
Эта теория симметрии, которая является фундаментальной для установленной физики, предсказывает, что уровни энергии в веществе и антивеществе будут одинаковыми. Как объяснила команда в своем исследовании:
«Мы провели первое лазерно-спектроскопическое измерение на атоме антивещества. Это долгое время было востребованным достижением в физике антиматерии при низких энергиях. Это знаменует собой поворотный пункт от экспериментов с доказательством принципа к серьезным метрологическим и точным сравнениям CPT с использованием оптического спектра антиатома. Текущий результат ... демонстрирует, что тесты фундаментальных симметрий с антивеществом в AD быстро созревают ».
Другими словами, подтверждение того, что материя и антивещество имеют схожие спектральные характеристики, является еще одним свидетельством того, что стандартная модель сохраняет силу - точно так же, как и открытие бозона Хиггса в 2012 году. Это также продемонстрировало эффективность эксперимента ALPHA при улавливании частиц антиматерии, что будет полезно для других экспериментов с антиводородом.
Естественно, исследователи ЦЕРН были очень взволнованы этой находкой, и ожидается, что она будет иметь серьезные последствия. Помимо предложения новых средств тестирования Стандартной модели, ожидается также, что она поможет ученым понять, почему во Вселенной существует дисбаланс между веществом и антивеществом. Еще один важный шаг в раскрытии того, как именно возникла Вселенная, какой мы ее знаем.
