Физики впервые измерили оптический спектр антиматерии
После двух десятилетий исследований физики из ЦЕРН сообщили о первом измерении света, испущенного атомом антиматерии. Результаты показали, что антиводород является точным зеркальным отражением обыкновенного водорода. Казалось бы, зачем подтверждать то, в чём учёные уверены? Но в науке иначе нельзя — любые домыслы должны быть подтверждены экспериментально. И неважно, о какой области исследований идёт речь.
Полученные данные, которые окончательно подтверждают то, что уже было давно предсказано законами физики, открывают новый способ проверки специальной теории относительности Эйнштейна. Кроме того, полученные результаты могут помочь учёным разгадать одну из самых больших загадок современной физики – почему во Вселенной существуют гораздо больше обычной материи, чем антиматерии?
"Новая работа является историческим моментом в многолетних усилиях, направленных на создание антиматерии и сравнении её свойств со свойствами материи", — говорит физик-теоретик Алан Костелецкий (Alan Kostelecky) из Университета Индианы.
Естественно, не каждый человек знаком с проблемой в физике, которую можно охарактеризовать одним вопросом: "Где скрывается вся антиматерия?". В связи с этим предоставим некоторую справочную информацию.
Законы физики предполагают, что у каждой частицы обыкновенной материи есть "двойник" – античастица. Например, у каждого отрицательно заряженного электрона существует положительно заряженный позитрон.
Всё это означает, что, например, на каждый атом водорода приходится опять же один антиводород. И точно так же, как атом водорода состоит из электрона, привязанного к протону, антиводород состоит из антиэлектрона (или позитрона), связанного с антипротоном.
Если античастице удаётся отыскать обыкновенную частицу, то они "нейтрализуют" друг друга (аннигилируют), высвобождая энергию в виде света. Но подобное обстоятельство создаёт сразу две большие проблемы.
Во-первых, раз существует так много обыкновенной материи во Вселенной, то физикам будет сложно (практически невозможно) отыскать в природе антиматерию. По той причине, что она будет уничтожена ещё до того, как её удастся получше изучить (от контакта с материей и аннигиляции её никак не удержать).
Вторая проблема заключается в вопросе, почему в мире наблюдается так много обыкновенной материи, но её "двойника" мы почти не встречаем? Существующая теория гласит, что порядка 13,82 миллиарда лет назад Вселенная была создана в результате Большого взрыва. Согласно сегодняшним представлениям физиков, в определённый момент времени в мире было равное количество материи и антиматерии. Но в таком случае современная Вселенная должна была бы состоять из пустоты, наполненной одним лишь светом. Всё по той же причине — частицы материи, встречая своих "коллег" из антиматерии, должны были исчезать.
По словам учёных, по какой-то причине некоторая часть материи, которая была создана при Большом взрыве, не подверглась аннигиляции, и из неё было создано всё то, что человек сегодня видит вокруг себя. Куда делась при этом "зеркальная' антиматерия, непонятно. "И пока у нас нет ни одной достойной идеи, объясняющей причину этого", — говорит официальный представитель коллаборации ЦЕРНа ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) Джеффри Хэнгст (Jeffrey Hangst).
Но теперь всё может измениться, поскольку учёные впервые измерили свет, излучаемый атомом антиводорода при "ударе" лазерного луча. Кроме того, исследователи сравнили этот свет с тем, который излучает атом обыкновенного водорода. В недавнем эксперименте физики впервые смогли контролировать атом антиводорода достаточно долго, чтобы измерить его поведение и сравнить его с "двойником".
Учёные использовали лазер, чтобы наблюдать переходы позитронов между энергетическими уровнями у антиводорода и сравнить эти процессы с таковыми у обыкновенным водорода. "Сделать это было необходимо, чтобы мы поняли, подчиняются ли атомы "двойника" тем же законам физики. Это было ключевой целью исследования антиматерии", — говорит Хэнгст.
По той причине, что специалисты просто не могут отыскать частицы антиводорода в природе (водород является самым распространённым элементов во Вселенной, так что легко уничтожит любые притаившиеся частицы антиводорода), им надо было создать собственные атомы "двойника" водорода.
За последние 20 лет исследователи коллаборации ALPHA пытались выяснить, как создать достаточное количество атомов антиводорода, чтобы получить шанс изучить их. И спустя какое-то время они наконец-то придумали способ, позволяющий им создать порядка 25 тысяч атомов антиводорода в течение 15 минут, а затем "поймать" около 14 из них. Кстати, предыдущие методы позволяли ловить только 1,2 атома антиводорода в течение каждых 15 минут.
Затем исследователи облучали лазерным лучом пойманные частицы, чтобы заставить их позитроны "перепрыгивать" с низкого энергетического уровня на более высокий. По мере того как позитроны затем возвращались на более низкий уровень энергии, они излучали свет, который физики и изучали.
И здесь самое интересное: выяснилось, что атомы антиводорода испускают такой же оптический спектр, что и обычные атомы водорода, которых "пытали" таким же тестом. Полученный результат никак не противоречит Стандартной модели физики элементарных частиц, согласно которой и было предсказано, что водород и антиводород будут иметь одинаковые характеристики испускаемого света.
"Я давно считал, что антиматерия – это точное отражение материи. Теперь мы начинаем получать доказательства того, что это действительно так", — говорит специалист Тим Тарп (Tim Tharp) из коллаборации ALPHA.
Прорывное исследование опубликовано в научном издании Nature.
