Антиводень: нова ера експериментів з антиматерією

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 66

Фізики з колаборації ALPHA при ЦЕРНі вперше виміряли енергетичний перехід біля атома антиводню. Оптична спектроскопія антиматерії — це не тільки серйозний технологічний прорив: цей експеримент має фундаментальне значення для розуміння фізичної картини світу.

Симетрія займає важливе місце в розумінні фізичних законів. У найбільш загальному сенсі симетрія визначає, як фізична система поводитиметься при певній трансформації, наприклад, що буде, якщо поміняти всі електричні заряди на протилежні, дзеркально відобразити систему відносно деякої поверхні або звернути час. Кожна з таких трансформацій окремо може порушити симетрію фізичних законів. Присутність магнітного поля, наприклад, «ламає» тимчасову симетрію. Але якщо «зв’язати» три типи трансформацій, про які йдеться, то ми отримаємо фундаментальну симетрію, якій повинні підкорятися всі закони фізики. Тобто будь-який процес «дзеркального відображення» Всесвіту, в якому всі напрямки руху повернуті в зворотний бік, а заряди замінені на протилежні, повинен бути таким же, як в «оригінальному» Всесвіту. Подібна симетрія названа СРТ, за першими літерами трьох трансформацій, які вони пов’язують: charge conjugation, parity transformation and time reversal (інверсія заряду, чіткості і часу). Сучасна наука вважає СРТ-симетрію фундаментальною, тобто обов’язковою для всіх фізичних законів.

Лабораторія експерименту ALPHA. Фото: Maximilien Brice / CERN

Перші дві трансформації (заміна заряду і дзеркальне відображення) перетворюють матерію на антиматерію. Згідно теорії Великого вибуху, мала утворитися рівна кількість матерії та антиматерії, але через порушення симетрії матерії виявилося більше. Як і чому це сталося — одна з недозволених загадок фізики. Щоб її розгадати, потрібно перевірити, як працюють фундаментальні закони фізики для антиматерії. На жаль, проводити прямі експерименти з антиматерією технічно дуже складно: вона анігілює при контакті з матерією. З моменту першого синтезу атомів антиводню минуло 20 років, і відтоді фізики навчилися контролювати енергію антиатомів, а також розробили спеціальні пастки, за допомогою яких антиводень утримується від аннігіляції протягом 18 хвилин (приблизно 1000 секунд).

Дотримання CPT-симетрії вимагає, щоб енергетичні рівні антиводню були такими ж, як у водню. Вимірювання переходу 1S — 2S в атомі антиводню поклало початок скрупульозній перевірці СРТ-симетрії на міцність.

Нагадаємо, що будь-який атом матерії складається з ядра, навколо якого обертаються електрони. Залежно від хімічного елемента варіюються маса і розмір ядра, а також кількість електронів. Вони займають так звані енергетичні рівні: чим ближче електрон до ядра, тим менше його енергія, але через заборону Паулі всі електрони не можуть перебувати на одному і тому ж енергетичному рівні. У спектроскопічних експериментах атом опромінюється світлом з певною енергією. При поглинанні фотона, який відповідає енергетичній різниці між двома енергетичними рівнями, електрон переходить у збуджений стан, що відповідає його «перескоку» на більш високий енергетичний рівень. Через якийсь час електрон повертається в основний стан, переіспускаючи фотон, або перетворює різницю в енергії в теплові коливання.

Чому саме антиводень привертає таку увагу фізиків? По-перше, водень — найбільш вивчений хімічний елемент всієї таблиці Менделєєва. Спектри поглинання водню досконало досліджені і повсюдно використовуються, наприклад, в астрономії. По-друге, антиводень складається з антипротона і позитрона, тобто потрібно «перемішати» всього два інгредієнти, що істотно полегшує і без того складне завдання з синтезу.

Спектральні лінії водню, за серіями, в логарифмічній шкалі. Малюнок: OrangeDog / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0

Сьогодні найбільший центр з дослідження антиматерії знаходиться в ЦЕРНі, де кілька експериментів побудовано навколо так званого Антипротонного уповільнювача: ALPHA, ATRAP, ASACUSA и BASE. Крім вже працюючих експериментів ще два готуються вийти на старт.

Антипротонний уповільнювач — унікальна установка, що виробляє низькоенергетичні антипротони, які можна використовувати для експериментів з антиматерією. Звідки беруться антипротони в першу чергу? Пучок протонів, розігнаний протонним синхротроном, спрямований у металеву мішень. Зіткнення дає велику кількість вторинних частинок, серед яких трапляються і антипротони. Але їх енергія занадто висока для утворення атомів антивіщення, більш того, вони всі рухаються в різних напрямках. Тому спочатку їх фокусують і фільтрують за допомогою електромагнітних лінз, після чого пучок антипротонів прямує в уповільнювач. Він складений з магнітів, «згинаючих» і фокусуючих пучок частинок, а електричне поле істотно уповільнює антипротони протягом декількох циклів, поки їх швидкість не знизиться до 1/10 швидкості світла. Після цього антипротони готові для утворення антиводню. Пучок антипротонів «поєднують» з пучком позитронів, що випускаються спеціальною радіоактивною мішенню. У результаті багаторічних удосконалень обладнання в установці «ALPHA-2» вдалося досягти виходу близько 25 000 атомів антиводню з 90 000 антипротонів (час змішування становив близько 15 хвилин).

Сповільнювач антипротонів у ЦЕРНі. Фото: CERN

Велика частина отриманих атомів антиводню не підходить для спектроскопії, тому що вони знаходяться в збудженому стані. Тому дослідники випускають «гарячі» атоми з пастки і залишають найповільніші атоми з найменшою енергією. Після двох послідовних кроків «сортування» в пастці залишається в середньому 14 атомів антиводню на одну спробу. (Це на порядок краще, ніж попередній результат, коли в пастці в середньому реєстрували 1,2 атома.) Для порівняння: звичайну оптичну спектроскопію «холодних» атомів водню проводять зі 1012 атомами в пастці.

Під час експерименту атоми антиводню знаходяться в камері з ультраглубоким вакуумом — спеціальна магнітна пастка утримує їх там протягом приблизно 10 хвилин. За цей час антиатоми встигають перейти в основний, невіднятий, стан, і з ними вже можна проводити спектроскопічні експерименти. Ультрафіолетовий лазер з довжиною хвилі 243 нм «перекидає» позитрон з 1S-орбіталі на 2S-орбіталь в результаті двофотонного поглинання — так називають нелінійний оптичний ефект, при якому одночасне поглинання двох фотонів «складає» їх енергію і еквівалентно поглинанню одного фотона з удвічі меншою довжиною хвилі.

Електронні переходи в атомі водню і відповідні їм довжини хвиль. Енергетичні рівні показані не в масштабі. Кожна серія відповідає переходам з певного рівня енергії: наприклад, серія Лаймана — з першого рівня, серія Бальмера — з другого, Пашена — з третього. Малюнок: Szdori / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-2.5

Перехід 1S — 2S, перший із серії Лаймана, відповідає довжині хвилі 121,6 нм. В атомах водню це один з найбільш довгоживучих енергетичних переходів, час його життя становить 1/8 секунди. При переході в збуджений стан у антиводню є кілька сценаріїв подальших подій: повернутися в основний стан, випустивши один або два фотони, втратити позитрон в процесі іонізації або перевернути спин позитрона. Останні два сценарії ведуть до втечі антиатома або його складових з пастки і аннігіляції. Через 10 хвилин після початку експерименту пастка вимикається і всі антиатоми аннігілюють. Відстежити процес аннігіляції за допомогою спеціального детектора важливо: саме аннігіляція служить кінцевим доказом того, що в пастці дійсно перебувала антиматерія. При цьому ще треба враховувати, що детектор «фонує» через космічні промені, які потрапляють на детектор (і на все навколо, включаючи нас з вами).

Налаштування лазера для ALPHA. Фото: CERN

Фізики підтвердили ідентичність 1S — 2S-переходу біля антиводню і CPT-інваріант з точністю до 2 ^{− 1}0 ‑ 10. Наступний етап експерименту — уточнити форму лінії поглинання антиводню, виміряти надтонку структуру переходу, збільшити спектр опромінення і дізнатися, як поводяться інші енергетичні переходи антиводню. Це важливо, оскільки багато теорій, які намагаються вийти за рамки Стандартної моделі і об’єднати гравітацію з іншими фундаментальними силами, наприклад, теорія струн, передбачають порушення СРТ-симетрії. Подібні експерименти допоможуть виключити найменш реалістичні теорії. З іншого боку, поки що не можна точно стверджувати, що СРТ дійсно є фундаментальною симетрією.

Так чи інакше, результати експерименту, опубліковані в журналі Nature в грудні 2016 року, — поворотний момент в дослідженнях антитівництва, оскільки фізики перейшли від експериментів, спрямованих на демонстрацію принципової можливості створювати і утримувати антиматерію, до безпосередніх експериментів з високоточного порівнянні метрології водню і антиводню і ретельної перевірки СРТ-симетрії, і до того, як великої пояснити перевагу.

Історія антиводню

1905, 30   Німецький

^{журнал «Аннали фізики» опублікував статтю «Про електродинаміку рухомих тіл» молодого співробітника патентного бюро Альберта Ейнштейна. Ця стаття поклала початок спеціальній теорії відносності, яка описує відносини між простором і часом, а також між енергією і масою за допомогою формули Е = mc2}.

Віктор Гесс (у центрі) готується до польоту на повітряній кулі. 1912 рік. Фото: American Phisical society / PD

1912, 7   Австрійський

фізик Віктор Гесс відкрив космічні промені — природне джерело високоенергетичних частинок. Він зробив політ на повітряній кулі під час майже повного сонячного затемнення, вимірюючи ступінь іонізації атмосфери аж до висоти 5300 м. Оскільки іонізація атмосфери не зменшилася з висотою навіть під час затемнення, Гесс зробив висновок, що існує джерело випромінювання, яке знаходиться далеко в космосі.

1920-1930Ервін

Шредінгер і Вернер Гейзенберг застосували концепцію Планківських квантів енергії до атома і його частин, в результаті чого народилася квантова теорія.

1928, 2   Опублікована

стаття Поля Дірака «Квантова теорія електрона» з рівнянням, яке поєднує квантову теорію зі спеціальною теорією відносності і описує рух електрона з релятивістською швидкістю. Рівняння передбачає існування античастинок, оскільки у нього є два рішення: одне — для електрону з позитивною енергією, інше — з негативною.

У своїй нобелівській лекції Поль Дірак пророкує існування антиматерії: «Якщо ми допустимо повну симетрію між позитивним і негативним зарядом, то, відповідно до фундаментальних законів природи, ми повинні вважати те, що Земля і, імовірно, Сонячна система переважно складаються з негативних електронів і позитивних протонів, випадковістю. Цілком ймовірно, що деякі зірки влаштовані протилежним чином, і вони можуть складатися з позитронів і негативних протонів. Взагалі кажучи, можливо, кількість зірок обох типів однакова. Вони повинні мати ідентичні спектри, і сучасна астрономія не в змозі відрізнити один тип зірок від іншого «.

1932, 9   Карл

Андерсон відкрив існування позитрона під час вивчення космічних променів у бульбашковій камері.

1934, 20   Ернест

Лоуренс запатентував циклотрон — пристрій для прискорення частинок з використанням високої напруги. Установка в Каліфорнійському університеті в Берклі використовувалася для бомбардування мішеней з різних матеріалів розігнаними частинками, що призвело до синтезу нових радіоактивних елементів. Так було покладено початок ядерної фізики високих енергій.

1954Під

керівництвом Лоуренса в Радіаційній лабораторії в Берклі побудований Беватрон, назва якого вироблена від «більйона електронвольт» (у сучасній фізиці для цього значення використовується приставка «гіга»).

Беватрон у Берклі, Каліфорнія. Фото: Lawrence Berkeley National Laboratory

1955, 1   Оуен

Чемберлен, Еміліо Сегре, Клайд Віганд і Томас Іпсілантіс з Радіаційної лабораторії опублікували статтю про відкриття антипротона.

1956, 3   Брюс

Корк, Глен Ламбертсон, Оресте Піччоне і Вільям Венцель з тієї ж лабораторії опублікували статтю про відкриття антинейтрона. Це відкриття довело, що кожна частинка, з яких складається атом, має античастинку.

1964, 27   Джеймс

Кронін і Вал Фітч з Брукхейвенської національної лабораторії експериментально виявили порушення СР-симетрії — слабка взаємодія відбувається по-різному для матерії та антиматерії.

1965, 1   Вперше

було синтезовано ядро антиатому, складене з пари антипротон — антинейтрон. Відкриття здійснили одночасно дві групи фізиків: одна — під керівництвом Антоніо Зікикі з ЦЕРНу та інша — Леона Ледермана з Брукхейвенської національної лабораторії.

1978, 18   У

ЦЕРНі навчилися зберігати антипротони протягом 85 годин. До цього фізикам вдавалося утримати антипротони всього на десятитисячну частку секунди.

1981, 4   У

ЦЕРНі зареєстровано перші сутички між протонами і антипротонами групою під керівництвом Сімона ван дер Меєра і Карло Руббіа. Установка, що використовується для цього експерименту, також дозволила спостерігати кварки і глюони, з яких складаються протони і нейтрони.

1995, 15   Група

фізиків під керівництвом Вальтера Олерта з ЦЕРНу синтезувала перші атоми антиводню, зареєстровані завдяки аннігіляції.

1997, 7   ЦЕРН

ухвалив проект будівництва антипротонного уповільнювача.

2002

V двох експериментах під дахом ЦЕРНу — ATHENA і ATRAP — синтезували тисячі антиатомів. Фізики навчилися охолоджувати антиатоми, тобто уповільнювати їх рух настільки, щоб можна було встигнути вивчити їхні властивості до того, як вони анігілюють.

2011, 5   ALPHA

— одна з нових експериментальних установок на базі ЦЕРНу, завдяки якій вийшло утримати охолоджені атоми антиводню протягом 1000 секунд.

2011, 28   ASACUSA

— «сусід» ALPHA в прямому і переносному сенсі — обидва експерименти отримують антипротони із загального антипротонного уповільнювача. Фізики з ASACUSA змогли виміряти масу атома антиводню з високою точністю.

2012, 7   Колаборація

ALPHA опублікувала результати першої позитронної парамагнітної спектроскопії атома антиводню. Резонансне мікрохвильове випромінювання в сильному магнітному полі «перевернуло» спин позитрона, внаслідок чого магнітний момент антиводню змінився, атом покинув пастку і анігілював.

2015, 12   Коллаборация

BASE произвела высокоточное сравнение отношения массы к заряду протона и антипротона.

2016, 12   Антипротони

в резервуарі BASE відсвяткували перший день народження.

2016, січень Опубліковані

результати експерименту ALPHA: вимірено точне значення електричного заряду антиводню і підтверджена електронейтральність антиатому.

ЦЕРН будує нове кільце уповільнювача для антипротонів, яке носитиме ім’я ELENA. Цей 30-метровий в окружності уповільнювач зможе виробляти щільний пучок повільніших антипротонів і підводити їх до чотирьох експериментів одночасно.

За матеріалами CERN