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.