Зазеркалье физики: ученые научились «замораживать» антиматерию. ALPHA делает шаг к пониманию иной реальности?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Что, если бы существовало зеркальное отражение нашего мира, где всё наоборот? Не в смысле сказочного Зазеркалья, а на самом фундаментальном уровне — уровне частиц. Речь об антиматерии, таинственной субстанции, которая будоражит умы ученых и вдохновляет фантастов. И, похоже, мы стоим на пороге грандиозных открытий, способных перевернуть наше представление о Вселенной.

Загадочное отражение: что такое антиматерия?

Представьте себе частицу, во всем похожую на обычный электрон, но… с положительным зарядом. Это и есть античастица — в данном случае, позитрон. У каждой частицы, из которых состоит всё вокруг, есть свой антипод. При встрече частицы и античастицы происходит аннигиляция — полное взаимоуничтожение с выделением огромного количества энергии. Звучит как сюжет научно-фантастического фильма, но это — реальность, пусть и пока малоизученная.

Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3
Зачем нам антиматерия?

Если обычная материя изучена вдоль и поперек, то антиматерия — это terra incognita. Мы знаем о ней крайне мало, а ведь ее изучение может дать ответы на самые фундаментальные вопросы: как устроена Вселенная? Почему в ней так мало антиматерии, если при Большом взрыве материи и антиматерии должно было образоваться поровну? Соблюдаются ли для антиматерии те же законы физики, что и для обычной материи? От ответов на эти вопросы зависит наше понимание фундаментальных основ мироздания.

ALPHA: охотники за антиводородом

В самом сердце Европы, в недрах знаменитого ЦЕРНа, работает уникальный эксперимент ALPHA. Его цель — ни много ни мало, поймать и изучить антиводород — простейший атом антиматерии, состоящий из антипротона и позитрона. Почему именно антиводород? Потому что его «обычный» аналог, водород, изучен с феноменальной точностью. Сравнивая свойства водорода и антиводорода, ученые надеются обнаружить хоть малейшие различия, которые могли бы пролить свет на тайны антиматерии.

a, Центральный аппарат ALPHA-2. Электроды ловушки Пеннинга-Мальмберга со сверхпроводящим октуполем и зеркальными магнитными катушками, которые образуют магнитную минимальную ловушку, показаны в масштабе. Соленоиды на обоих концах усиливают поле в подготовительных ловушках до 3 Т для более эффективного циклотронного охлаждения лептонов. В данной работе они активно стабилизированы и постоянно включены, что повышает эффективность накопления антиводорода и уменьшает дрейф магнитного поля во время спектроскопии. Криогенный оптический резонатор служит как для накопления лазерного излучения с длиной волны 243 нм, необходимого для перехода 1S-2S, так и для получения встречных фотонов, которые отменяют доплеровский сдвиг первого порядка. Блокирующие потенциалы, приложенные к электродам, затененным коричневым цветом, предотвращают выход антипротонов, созданных ионизирующим антиводородом, в осевом направлении. Импульсное лазерное излучение с длиной волны 121,6 нм для охлаждения лазера создается в газовой ячейке Kr/Ar с генерацией третьих гармоник (THG) непосредственно за пределами сверхвысоковакуумной камеры. Свет попадает в камеру через окно из MgF2 и проходит прямо через ловушку атомов, чтобы быть обнаруженным на дальней стороне с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Цилиндрический кремниевый вершинный детектор (SVD) для аннигиляций (показан зеленым) окружает аппарат ловушки. b, Профиль магнитного (B) поля на оси ловушки. Пять зеркальных катушек вместе делают поле на оси однородным в пределах ±1,5 Гаусса в центре 6 см ловушки (заштриховано). c, Энергетические уровни водорода. Диаграмма уровней, показывающая соответствующие состояния (S-состояния - черным, P-состояния - синим) в многообразиях первых двух главных квантовых чисел, n = 1 и n = 2, при B = 0 T и B = 1 T (масштаб не указан). Состояния 1Sa и 1Sb являются нетраппируемыми, поэтому переходы из этих состояний недоступны в нашем эксперименте. Розовые стрелки указывают на оптические переходы из траппируемых состояний. Двухфотонные переходы - это 1Sd-2Sd и 1Sc-2Sc. Фиолетовая стрелка указывает на однофотонный охлаждающий переход 1Sd-2Pa. Цитирование: Baker, C.J., Bertsche, W., Capra, A. et al. Precision spectroscopy of the hyperfine components of the 1S–2S transition in antihydrogen. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02712-9
a, Центральный аппарат ALPHA-2. Электроды ловушки Пеннинга-Мальмберга со сверхпроводящим октуполем и зеркальными магнитными катушками, которые образуют магнитную минимальную ловушку, показаны в масштабе. Соленоиды на обоих концах усиливают поле в подготовительных ловушках до 3 Т для более эффективного циклотронного охлаждения лептонов. В данной работе они активно стабилизированы и постоянно включены, что повышает эффективность накопления антиводорода и уменьшает дрейф магнитного поля во время спектроскопии. Криогенный оптический резонатор служит как для накопления лазерного излучения с длиной волны 243 нм, необходимого для перехода 1S-2S, так и для получения встречных фотонов, которые отменяют доплеровский сдвиг первого порядка. Блокирующие потенциалы, приложенные к электродам, затененным коричневым цветом, предотвращают выход антипротонов, созданных ионизирующим антиводородом, в осевом направлении. Импульсное лазерное излучение с длиной волны 121,6 нм для охлаждения лазера создается в газовой ячейке Kr/Ar с генерацией третьих гармоник (THG) непосредственно за пределами сверхвысоковакуумной камеры. Свет попадает в камеру через окно из MgF2 и проходит прямо через ловушку атомов, чтобы быть обнаруженным на дальней стороне с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Цилиндрический кремниевый вершинный детектор (SVD) для аннигиляций (показан зеленым) окружает аппарат ловушки. b, Профиль магнитного (B) поля на оси ловушки. Пять зеркальных катушек вместе делают поле на оси однородным в пределах +-1,5 Гаусса в центре 6 см ловушки (заштриховано). c, Энергетические уровни водорода. Диаграмма уровней, показывающая соответствующие состояния (S-состояния — черным, P-состояния — синим) в многообразиях первых двух главных квантовых чисел, n = 1 и n = 2, при B = 0 T и B = 1 T (масштаб не указан). Состояния 1Sa и 1Sb являются нетраппируемыми, поэтому переходы из этих состояний недоступны в нашем эксперименте. Розовые стрелки указывают на оптические переходы из траппируемых состояний. Двухфотонные переходы — это 1Sd-2Sd и 1Sc-2Sc. Фиолетовая стрелка указывает на однофотонный охлаждающий переход 1Sd-2Pa. Цитирование: Baker, C.J., Bertsche, W., Capra, A. et al. Precision spectroscopy of the hyperfine components of the 1S-2S transition in antihydrogen. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02712-9
Автор: Baker, C.J., Bertsche, W., Capra, A. et al. Источник: www.nature.com
Не просто поймать, но и охладить!

Удержать антиматерию — задача не из легких. Ведь при контакте с любым веществом она мгновенно аннигилирует! Ученые ALPHA используют хитроумную магнитную ловушку, внутри которой антиатомы парят, не касаясь стенок. Но и этого мало! Для точных измерений антиводород нужно… охладить. Представьте себе: атомы, и без того «непоседливые», при нагревании начинают двигаться еще быстрее, размывая картину измерений.

И вот здесь на сцену выходит революционная технология лазерного охлаждения. Подобно искусному дирижеру, управляющему оркестром, ученые с помощью лазера «успокаивают» атомы антиводорода, замедляя их движение до минимума.

Прорыв в Зазеркалье: что удалось узнать?

В недавней статье, опубликованной в престижном журнале Nature Physics, команда ALPHA поделилась сенсационными результатами. Им удалось не просто «увидеть» так называемый переход 1S-2S в атоме антиводорода (по сути, изменение энергетического состояния позитрона), но и измерить его характеристики с невиданной ранее точностью. И что особенно важно — сделать это за рекордно короткое время!

Если раньше на подобные измерения уходили недели кропотливой работы, то сейчас, благодаря новой методике, ученые получают те же данные буквально за одну ночь! Это позволяет не только ускорить процесс исследований, но и сделать его более надежным, минимизируя влияние случайных факторов.

Временная эволюция скорости аннигиляции во время каждой из лазерных экспозиций, нормированная на установленную скорость в первом бине, с подгонкой в виде сплошных или пунктирных линий. Ширина бина соответствует полной двойной развертке спектральной линии для прогонов 1 и 2. Для прогона 3 та же ширина бина достигается при двух двойных развертках, поскольку экспозиции вдвое короче. Видно, что скорость истощения для охлажденного лазером d-d перехода в прогонах 2 и 3 (заполненные квадратные символы) значительно выше, чем для неохлажденных переходов. На вставке показаны спектры d-d компонент переходов 1 и 3, которые включены для самосогласованности. Подгонка и данные нормированы таким образом, что пиковое значение подгонки равно 1. Нанесенные на график неопределенности представляют собой ошибки счета с одним стандартным отклонением. Цитирование: Baker, C.J., Bertsche, W., Capra, A. et al. Precision spectroscopy of the hyperfine components of the 1S–2S transition in antihydrogen. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02712-9
Временная эволюция скорости аннигиляции во время каждой из лазерных экспозиций, нормированная на установленную скорость в первом бине, с подгонкой в виде сплошных или пунктирных линий. Ширина бина соответствует полной двойной развертке спектральной линии для прогонов 1 и 2. Для прогона 3 та же ширина бина достигается при двух двойных развертках, поскольку экспозиции вдвое короче. Видно, что скорость истощения для охлажденного лазером d-d перехода в прогонах 2 и 3 (заполненные квадратные символы) значительно выше, чем для неохлажденных переходов. На вставке показаны спектры d-d компонент переходов 1 и 3, которые включены для самосогласованности. Подгонка и данные нормированы таким образом, что пиковое значение подгонки равно 1. Нанесенные на график неопределенности представляют собой ошибки счета с одним стандартным отклонением. Цитирование: Baker, C.J., Bertsche, W., Capra, A. et al. Precision spectroscopy of the hyperfine components of the 1S-2S transition in antihydrogen. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02712-9
Автор: Baker, C.J., Bertsche, W., Capra, A. et al. Источник: www.nature.com
Что дальше? На пороге новых открытий

Достижения ALPHA — это не просто очередной шаг, а настоящий прорыв в изучении антиматерии. Это как переход от черно-белой фотографии к цветной, от немого кино — к звуковому. Ученые получили в свои руки мощнейший инструмент, который позволяет заглянуть в самые сокровенные глубины антимира.

В ближайшем будущем нас ждут еще более точные измерения, еще более глубокое понимание свойств антиводорода. И, кто знает, может быть, именно эксперимент ALPHA поможет нам, наконец, разгадать одну из величайших загадок Вселенной — загадку антиматерии. Ведь, как сказал Джеффри Скотт Хангст, руководитель эксперимента, «мы только начинаем понимать то, что в обычном водороде известно с точностью до одной тысячной триллионной доли». А это значит, что впереди — самое интересное! И, возможно, именно антиматерия станет ключом к пониманию того, как устроена наша Вселенная на самом глубинном уровне.

1 комментарий

a
Так какая длина волны получается при переходе 2s-1s? Совпадает она с таковой для обычного атома водорода?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Вагон с пропеллерами подвесили над путями: почему поезд Бенни так и не стал обычным транспортом

На фотографии 1930 года пассажирский вагон напоминает корпус небольшого самолёта. Он находится над обычной железной дорогой, держится за верхнюю направляющую и движется с помощью воздушных винтов....

Огонь сам открывает воду: как появились автоматические пожарные спринклеры

Пожарная труба под потолком долгое время была почти бесполезна без человека. Можно было заранее провести по зданию водопровод, сделать в нём отверстия и даже держать рядом большой запас воды, но...

Бетон вместо радара: как огромные чаши на берегу Англии помогали слышать самолёты

На английском побережье сохранились огромные бетонные чаши, обращённые к морю. Рядом с некоторыми стоят изогнутые стены, похожие на фрагменты недостроенного стадиона. Их задача была вполне...

Рыба с собственным обогревом: как опах сохраняет тепло в холодном океане

Опах охотится на глубине в несколько сотен метров, где вода заметно холоднее его тела. У этой крупной серебристой рыбы с красными плавниками теплее воды остаются не только мышцы, но и внутренние...

Крымская АЭС: почему атомную станцию, которую строили почти 10 лет, так и не запустили

В конце 1960-х годов советские специалисты анализировали топливно-энергетический баланс страны и пришли к выводу, что европейская часть СССР в обозримой перспективе может столкнуться с дефицитом...

Кракатау почти стёр жизнь с нескольких островов — биологи больше века наблюдали, кто вернётся первым

После извержения Кракатау в августе 1883 года несколько островов в Зондском проливе выглядели так, словно их начали создавать заново. Большая часть самого Кракатау исчезла в море, а уцелевшая...