Исследователи открыли новый способ измерения свойств антиматерии
В рамках исследования антиматерии ученые ЦЕРН продемонстрировали необычное и неожиданное поведение гибридного атома, состоящего одновременно из материи и антиматерии, при погружении в сверхтекучий гелий (при температуре, близкой к абсолютному нулю). Результаты этого эксперимента открывают путь к новому способу измерения массы античастиц с беспрецедентной точностью.
Согласно стандартной модели физики частиц, материя и антиматерия отличаются только электрическим зарядом своих частиц. Например, протон и антипротон несут противоположные заряды, но идентичны во всех других отношениях. Прошлые эксперименты подтверждают эту теорию априори. Однако экспериментальные методы, используемые до сих пор, могут оказаться недостаточно чувствительными для обнаружения мельчайших различий, которые могут существовать между частицами и их античастицами. Поэтому ученые пытаются разработать все более точные методы измерения.
Это особенно трудно, поскольку образцы антиматерии не должны вступать в контакт с окружающей материей, иначе они немедленно аннигилируют. «Атомы антиматерии были магнитно левитированы в вакуумных камерах для спектроскопических измерений. В других экспериментах антипротоны заключались в ионные ловушки из электрических и магнитных полей«, — объясняет Масаки Хори, физик из Института квантовой оптики Макса Планка, который использует спектроскопию для изучения антиматерии. Ему и его команде удалось объединить материю и антиматерию в одном атоме гелия, чтобы повысить точность измерений. Но их недавнее открытие может открыть гораздо больше возможностей.
Более стабильный антипротон в сверхтекучем гелии
Создание гибридных атомов лежит в основе эксперимента ЦЕРН ASACUSA, целью которого является изучение фундаментальных различий между материей и антиматерией. Рассматриваемый здесь антипротонный гелий был создан путем замены одного из электронов в атоме гелия на антипротон (который также заряжен отрицательно); это было достигнуто с помощью замедлителя антиматерии ЦЕРНа, который проецирует пучки замедленных антипротонов в холодный газ гелий. Большинство антипротонов быстро аннигилируют при контакте с окружающей материей, но небольшое их количество соединяется с гелием, образуя гибридные атомы. Затем масса антипротона измеряется с помощью лазерной спектроскопии с беспрецедентной точностью.
Когда атомы помещаются в жидкость, их оптические спектральные линии — соответствующие электронным переходам — значительно увеличиваются по сравнению с линиями изолированных атомов из-за интенсивных взаимодействий, существующих между молекулами в жидкости. Это увеличение может достигать более миллиона раз, что значительно ухудшает результаты спектроскопических анализов высокого разрешения. Это происходит даже в сверхтекучем гелии, который является самой прозрачной, холодной и химически инертной жидкостью. Точное положение линии резонанса на шкале частот, а также ее форма могут быть использованы для вывода свойств изучаемого атома.
Команда эксперимента ASACUSA, возглавляемая Масаки Хори, поставила перед собой задачу проследить, как поведет себя гибридный атом, когда он тоже будет погружен в сверхтекучий гелий. Для этого они смешивали антипротоны из замедлителя с жидким гелием, охлажденным почти до абсолютного нуля (-273 °C). Они обнаружили, что его спектральная линия сохранила субгигагерцовую ширину. Вопреки всем ожиданиям, структура оставалась стабильной достаточно долго, чтобы ее можно было изучить с помощью спектроскопии: защищенный электронным слоем атома гелия, антипротон не сразу разрушился.
Чтобы достичь этого результата, команда использовала спектроскопию для изучения гибридных атомов гелия при различных температурах. Как только температура упала ниже критической температуры -270,95 °C, при которой гелий переходит в сверхтекучее состояние, спектральные линии антипротона стали более узкими. Следует помнить, что сверхтекучесть описывает состояние материи, при котором она ведет себя как жидкость, лишенная какой-либо вязкости. «Мы пока не знаем, как происходит резкое изменение спектральных линий антипротонов в такой среде и что физически происходит при этом. Мы сами были этому удивлены«, — признается Хори.
Хотя это явление еще предстоит прояснить, оно открывает новые возможности для измерений. Сужение спектральных линий таково, что сверхтонкая структура, определяемая мельчайшими изменениями и расщеплениями энергетических уровней атома, может быть разрешена. «Это позволило разрешить сверхтонкую структуру, возникающую в результате спин-спинового взаимодействия между электроном и антипротоном, с относительным спектральным разрешением две части на 106, несмотря на то, что антипротонный гелий находился в плотной матрице атомов нормального вещества«, — отмечают исследователи в журнале Nature.
С практической точки зрения это означает, что таким же образом в сверхтекучем гелии могут быть созданы другие гибридные атомы гелия, состоящие из различных других частиц антивещества, которые можно будет изучать с помощью лазерной спектроскопии с высоким спектральным разрешением. Это позволило бы ученым точно определить массу этих частиц.
Четкие спектральные линии также могут быть полезны для обнаружения антипротонов и антидейтронов в космических лучах. «Сверхтекучие гелиевые детекторы могли бы поддержать будущие эксперименты и подойти для улавливания и анализа античастиц из космоса«, — говорит Хори. Однако, прежде чем эти методы смогут дополнить существующие, необходимо преодолеть множество технических проблем, отмечает физик.