Антиводородна нова ера на експерименти сантиматерия
Физиците от сътрудничеството ALPHA в CERN са измерили енергийния преход при антиводородния атом за първи път. Оптичната спектроскопия на антиматерията е не само голям технологичен пробив: този експеримент е от фундаментално значение за разбирането на физическата картина на света.
Симетрията заема важно място в разбирането на физичните закони. В най-общ смисъл, симетрията определя как една физическа система ще се държи при определена трансформация, например какво ще се случи, ако всички електрически заряди са обърнати, системата е огледална спрямо някаква повърхност или времето е обърнато. Всяка от тези трансформации поотделно може да наруши симетрията на физичните закони. Наличието на магнитно поле например "нарушава" темпоралната симетрия. Но ако "свържем" въпросните три вида трансформации, тогава получаваме фундаменталната симетрия, на която трябва да се подчиняват всички закони на физиката. Тоест, всеки процес на "огледално отражение" на Вселената, при който всички посоки на движение се обръщат в обратна посока и зарядите се заменят с противоположни, трябва да бъде същият като в "оригиналната" Вселена. Такава симетрия се нарича CPT, след първите букви на трите трансформации, които свързват:конюгиране на заряд, трансформация на паритет и обръщане на времето(заряд, паритет и инверсия на времето). Съвременната наука смята CPT симетрията за фундаментална, тоест задължителна за всички физически закони.
Експериментална лаборатория АЛФА. Снимка: Максимилиен Брис / ЦЕРН
Първите две трансформации (заместване на заряда и огледално отражение) превръщат материята в антиматерия. Според теорията за Големия взрив е трябвало да се образуват еднакви количества материя и антиматерия, нопоради нарушаване на симетрията на материята се оказа, че е повече. Как и защо се е случило това е една от неразгаданите мистерии на физиката. За да го разрешите, трябва да проверите как работят основните закони на физиката за антиматерията. За съжаление, технически е много трудно да се провеждат директни експерименти с антиматерия: тя анихилира при контакт с материята. Изминаха 20 години от първия синтез на антиводородни атоми и оттогава физиците се научиха да контролират енергията на антиатомите и също така разработиха специални капани, които предпазват антиводорода от анихилация за 18 минути (около 1000 секунди).
Спазването на CPT симетрията изисква енергийните нива на антиводорода да са същите като тези на водорода. Измерването на прехода 1S–2S в антиводородния атом бележи началото на стриктно тестване на CPT симетрията за сила.
Спомнете си, че всеки атом на материята се състои от ядро, около което се въртят електрони. В зависимост от химичния елемент масата и размерът на ядрото, както и броят на електроните варират. Те заемат така наречените енергийни нива: колкото по-близо е един електрон до ядрото, толкова по-ниска е неговата енергия, но поради изключването на Паули всички електрони не могат да бъдат на едно и също енергийно ниво. При спектроскопски експерименти атомът се облъчва със светлина с определена енергия. Когато се абсорбира фотон, което съответства на енергийната разлика между две енергийни нива, електронът преминава във възбудено състояние, което съответства на неговия "скок" към по-високо енергийно ниво. След известно време електронът се връща в основно състояние, излъчвайки повторно фотон или преобразувайки разликата в енергията в топлинни вибрации.
Защо точно антиводородът привлича такова внимание на физиците? Първо, водородът е най-изследваниятхимичен елемент от цялата периодична таблица. Абсорбционните спектри на водорода са подробно проучени и се използват широко, например в астрономията. Второ, антиводородът се състои от антипротон и позитрон, тоест трябва да „смесите“ само две съставки, което значително улеснява и без това трудната задача на синтеза.
Спектрални линии на водород, по серии, в логаритмична скала. Фигура: OrangeDog / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0
Днес най-големият център за изследване на антиматерията се намира в CERN, където се изграждат няколко експеримента около така наречения антипротонен модератор: ALPHA, ATRAP, ASACUSA и BASE. В допълнение към вече проведените експерименти, още два се готвят да стартират.
Antiproton Moderator е уникално съоръжение, което произвежда нискоенергийни антипротони, които могат да се използват за експерименти с антиматерия. Откъде идват антипротоните на първо място? Лъч от протони, ускорен от протонен синхротрон, се насочва към метална мишена. Сблъсъкът произвежда голям брой вторични частици, сред които има и антипротони. Но тяхната енергия е твърде висока за образуването на атоми на антиматерия, освен това всички те се движат в различни посоки. Следователно те първо се фокусират и филтрират с помощта на електромагнитни лещи, след което антипротонният лъч се насочва към модератора. Състои се от магнити, които „огъват“ и фокусират лъча от частици, а електрическото поле значително забавя антипротоните в продължение на няколко цикъла, докато скоростта им спадне до 1/10 от скоростта на светлината. След това антипротоните са готови да образуват антиводород. Сноп от антипротони се "комбинира" с лъч от позитрони, излъчван от специална радиоактивна мишена. В резултат на дългогодишни подобрения на оборудването в инсталациятаALPHA-2 успя да постигне добив от около 25 000 антиводородни атома от 90 000 антипротона (времето за смесване беше около 15 минути).
Антипротонен модератор в CERN. Снимка: CERN
BoПовечето от получените антиводородни атоми не са подходящи за спектроскопия, тъй като са във възбудено състояние. Следователно изследователите освобождават "горещите" атоми от капана и оставят най-бавните атоми с най-ниска енергия. След две последователни стъпки на "сортиране", средно 14 антиводородни атома остават в капана на опит. (Това е с порядък по-добър от предишния резултат, когато в капана бяха регистрирани средно 1,2 атома.) За сравнение: конвенционалната оптична спектроскопия на "студени" водородни атоми се извършва с 1012 атома в капана.
По време на експеримента антиводородни атоми се държат в камера със свръхдълбок вакуум – специален магнитен капан ги задържа там за около 10 минути. През това време антиатомите имат време да преминат в основно, невъзбудено състояние и вече е възможно да се провеждат спектроскопски експерименти с тях. Ултравиолетов лазер с дължина на вълната 243 nm "превключва" позитрон от 1S орбитала към 2S орбитала в резултат на двуфотонно поглъщане - това е името на нелинейния оптичен ефект, при който едновременното поглъщане на два фотона "добавя" тяхната енергия и е еквивалентно на поглъщането на един фотон с половината от дължината на вълната.
Електронни преходи във водородния атом и съответните им дължини на вълните. Нивата на енергия са показани без мащаб. Всяка серия съответства на преходи от определено енергийно ниво: например серията Лайман - от първото ниво, серията Балмер - от второто, Пашен - от третото. Изображение: Szdori / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-2.5
Преход 1S-2S, първият от серияLyman, съответства на дължина на вълната 121,6 nm. Във водородните атоми това е един от най-дълготрайните енергийни преходи, с време на живот от 1/8 секунда. При преход към възбудено състояние антиводородът има няколко сценария за по-нататъшни събития: връщане в основното състояние чрез излъчване на един или два фотона, загуба на позитрон в процеса на йонизация или обръщане на въртенето на позитрона. Последните два сценария водят до бягство на антиатома или неговите съставни части от капана и унищожаване. Десет минути след началото на експеримента, капанът се изключва и всички антиатоми се унищожават. Проследяването на процеса на анихилация със специален детектор е важно: именно анихилацията служи като окончателно доказателство, че антиматерията наистина е била в капана. В същото време е необходимо да се има предвид, че детекторът „фонитира“ поради космическите лъчи, които попадат върху детектора (и върху всичко наоколо, включително и нас).
Лазерна настройка за ALPHA. Снимка: CERN
Физиците са потвърдили идентичността на прехода 1S–2S в антиводорода и инварианта на CPT с точност до 2×10 −10 . Следващият етап от експеримента е да се прецизира формата на абсорбционната линия на антиводорода, да се измери свръхфината структура на прехода, да се увеличи спектърът на облъчване и да се установи как се държат другите енергийни преходи на антиводорода. Това е важно, защото много теории, които се опитват да надхвърлят стандартния модел и да обединят гравитацията с останалите фундаментални сили, като теорията на струните, предполагат нарушение на CPT. Такива експерименти ще помогнат да се изключат най-малко реалистичните теории. От друга страна, все още не е възможно да се твърди със сигурност, че CPT наистина е фундаментална симетрия.
История на антиводорода
Виктор Хес (в средата) се готви за полет с балон с горещ въздух. 1912 г Снимка:АмериканецФизическо общество/ PD
1920–1930Ървин Шрьодингер и Вернер Хайзенберг прилагат концепцията за енергийните кванти на Планк към атома и неговите части, което води до раждането на квантовата теория.
В своята Нобелова лекция Пол Дирак предсказва съществуването на антиматерията: „Ако допуснем пълна симетрия между положителния и отрицателния заряд, тогава, в съответствие с фундаменталните закони на природата, трябва да считаме, че Земята и, вероятно, Слънчевата система се състоят предимно от отрицателни електрони и положителни протони, инцидент. Вероятно някои звезди са подредени по обратния начин и могат да се състоят от позитрони и отрицателни протони. Най-общо казано, може би броят на звездите и от двата вида е еднакъв. Те трябва да имат идентични спектри, а съвременната астрономия не е в състояние да различи един тип звезда от друг."
1954Беватрон е построен под ръководството на Лорънс в радиационната лаборатория Бъркли, името произлиза от "милиард електронволта" (съвременната физика използва префикса "гига" за тази стойност).
Bevatron в Бъркли, Калифорния. Снимка:Национална лаборатория на Лорънс Бъркли
2002Два експеримента под покрива на CERN, ATHENA и ATRAP, синтезираха хиляди антиатоми. Физиците са се научили да охлаждат антиатомите, тоест да забавят движението им, така че да е възможно да се изследват свойствата им, преди да анихилират.
CERN изгражда нов модераторен пръстен за антипротони, който ще носи името ELENA. Този модератор, с обиколка 30 метра, ще може да произведе плътен лъч от по-бавни антипротони и да ги доведе до четири експеримента едновременно.