Атомы антиводорода были впервые подвергнуты лазерному охлаждению, что открыло путь для точных исследований, которые могли бы показать, почему во Вселенной гораздо больше вещества, чем антивещества. Охлаждение было выполнено международной группой физиков из ЦЕРНа в Швейцарии, которые использовали новый тип лазера для охлаждения антиатомов, а затем измерили ключевой электронный переход в антиводороде с беспрецедентной точностью. Их открытие может привести к улучшенным испытаниям других ключевых свойств антивещества.
В каждом процессе, когда-либо наблюдаемом в лаборатории, и почти в каждом процессе, предсказанном Стандартной моделью физики элементарных частиц, создание частицы всегда сопровождается созданием ее античастицы. И наоборот, когда частица и ее античастица встречаются, они аннигилируют. Однако один неоспоримый факт заключается в том, что мы живем во Вселенной, которая почти полностью состоит из материи, что поднимает вопрос о том, сколько материи было создано без эквивалентного количества антивещества во время Большого взрыва.
В Стандартной модели физические свойства частицы (например, электрона) кажутся равными и противоположными ее эквиваленту из антивещества (позитрону) - электроны и позитроны имеют одинаковую массу, но противоположный электрический заряд. Таким образом, поиск крошечных различий между частицами и их эквивалентами из антивещества может пролить свет на асимметрию материи и антивещества во Вселенной. Один из способов сделать это - создать и изучить антиводород, который состоит из позитрона и антипротона.
Проблема аннигиляции
Как и в случае с обычным водородом, квантовые свойства антиводорода становятся более ясными при низких температурах. Однако охлаждение антиатомов, таких как антиводород, далеко не так просто. Многие методы охлаждения вещества просто недоступны: симпатическое охлаждение, при котором атомы теряют энергию при столкновении с разными атомами, невозможно, поскольку они аннигилируют. Испарительное охлаждение, при котором все атомы, кроме самых холодных, покидают ловушку, забирая с собой энергию, в настоящее время невозможно, потому что антиатомы так сложно производить: «Это просто не вариант с антивеществом», - говорит Джеффри Хангст из Орхусского университета в Дании, который работает над экспериментом «Аппарат лазерной физики на антиводороде» (ALPHA) в ЦЕРНе.
Одна из возможностей - доплеровское охлаждение, которое, как ни парадоксально, работает путем возбуждения атомов. Если атомы облучаются лазером с частотой чуть ниже той, которая необходима для возбуждения электронного перехода, атом, движущийся к лучу, увидит излучение с синим смещением и может поглотить фотон. Когда это возбужденное состояние распадается, оно излучает больше энергии, чем первоначально поглотило, охлаждая образец. Этот метод широко используется с другими атомами, но сталкивается с проблемой водорода - того атома, чей аналог из антивещества был получен до сих пор. Единственным подходящим переходом является переход Лаймана-альфа между 1s и 2p-орбиталями, включающий свет с длинами волн вакуумного ультрафиолета около 121 нм. Однако в этой области нет практических лазеров, и попытки разработать непрерывный лазер с длиной волны 121 нм провалились после многих лет попыток.
«Много горя»
Для новой работы член ALPHA Макото Фудзивара из TRIUMF в Канаде предложил им попробовать импульсное лазерное охлаждение и вместе с коллегами намеревался создать устройство, которое производило бы лазерные импульсы 121,6 нм из непрерывного лазерного света 729,4 нм: «Оглядываясь назад, кажется очевидным», - говорит Фудзивара, но Хангст говорит, что Фудзивара« очень огорчился от некоторых наших коллег, когда он предложил это и когда они начали создавать лазер».
Затем исследователи сконструировали цилиндрическую магнитную ловушку с прозрачными концами. С одной стороны, они вводили антипротоны из антипротонного замедлителя ЦЕРНа. На другом - позитроны. Через несколько часов в центре ловушки скопилось около 1000 атомов антиводорода.
Затем исследователи использовали свой лазер для охлаждения атомов. Они не сообщают конечную температуру в своей статье, поскольку атомы не достигли теплового равновесия, но заостренный пик Лаймана-альфа показал, что атомы движутся медленнее, чем это было достигнуто ранее.
Принцип эквивалентности Эйнштейна
Затем исследователи измерили частоту перехода между 1s и 2s орбиталями в антиводороде: «Это то, что мы лучше всего понимаем в водороде, это измеряется с точностью примерно 10-15, - говорит Хангст, - и это то, что мы хочу сравнить с антиводородом». Их новые результаты показывают улучшенную точность охлаждения, и они намерены сообщить о сравнении с водородом в будущей работе. Команда также хочет изучить другие свойства антиводорода, начиная с принципа эквивалентности Эйнштейна, согласно которому вещество и антивещество ведут себя одинаково под действием силы тяжести.
Фудзивара описывает успех команды как «революционный», и Владан Вулетич из Массачусетского технологического института (который не участвовал в работе) соглашается: «Основной проблемой при охлаждении водорода или антиводорода всегда было ... длины волн с необходимой спектральной чистотой ... Вы строите это на вершине этого очень сложного эксперимента: сначала вам нужно произвести антипротоны; вам нужно поймать их вместе с позитронами в электромагнитную ловушку; вам нужно нейтрализовать их в антиводород, а затем, помимо всего прочего, применить лазерное охлаждение».