| | 21 дeкaбря 2016 | Нoвoсти нaуки и тexники
Учeныe CERN впeрвыe прoвeли измeрeния oптичeскиx спeктрaльныx xaрaктeристик aтoмoв aнтивeщeствa
В стaтьe, oпубликoвaннoй в журнaлe Nature, учeныe, рaбoтaющиe в рaмкax программы ALPHA, предоставили результаты первых в истории измерений оптических спектральных характеристик атомов антивещества. Данное достижение демонстрирует высокий уровень развития современных технологий, используемых в высокоточных исследованиях антиматерии, и это все является результатом 20 лет работы по изучению антиматерии группой Европейской организации ядерных исследований CERN.
«Используя свет лазера, нам удалось увидеть, что поведение атомов антиводорода подобно поведению атомов обычного водорода, и это поведение подчиняется одним и тем же законам физики в обоих случаях» — рассказывает Джеффри Хэнгст (Jeffrey Hangst), сотрудник научной группы ALPHA, — «Определение этого факта всегда являлось основной целью исследований антивещества».
Напомним нашим читателям, что атомы состоят из электронов, вращающихся вокруг ядра. Когда предварительно возбужденный светом электрон переходит с более высокой, более энергетической орбиты на более низкую, он излучает фотон света со строго определенной длиной волны. Фотоны, излученные различными электронами при их переходах с различных орбит на более низкие, формируют спектр света, уникальный для атома каждого химического элемента. И спектроскопия является достаточно мощным исследовательским инструментом, используемым в физике, химии, астрономии и других областях. При помощи спектрального анализа можно идентифицировать атомы вещества, определить состав сложных молекул, а анализ спектра света далеких звезд позволяет определить их химический состав.
Водород, имеющий единственный протон в качестве ядра и единственный электрон, является самым распространенным химических элементом во Вселенной, который хорошо изучен учеными. Его антипод, антиводород, состоящий из антипротона и позитрона, изучен не так хорошо. Трудность заключается в том, что любая антиматерия превращается во вспышку энергии при контакте с обычной материей, и, вследствие этого, изучение антиматерии связано с рядом трудностей различного плана.
Данные о спектральных характеристиках атомов антиводорода, полученные учеными эксперимента ALPHA, позволило впервые в истории сравнить спектральные характеристики водорода и антиводорода. Это сравнение, с учетом диапазона имеющихся данных и инструментальной погрешности измерений, не выявило различий в спектральных линиях водорода и антиводорода. И все это полностью укладывается в рамки Стандартной Модели, которая определяет, что спектральные линии атомов вещества и их антиподов должны совпадать полностью.
Оборудование эксперимента ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) использует средства Замедлителя антипротонов (CERN Antiproton Decelerator). Оно позволяет синтезировать атомы антиводорода, поместить и удерживать их в специальной магнитной ловушке в течение некоторого времени, давая ученым возможность произвести свои эксперименты.
«Манипуляции с антипротонами и позитронами производятся достаточно легко, так как они являются электрически заряженными частицами» — рассказывает Джеффри Хэнгст, — «Но когда мы получаем нейтральный атом антиводорода, все становится намного сложнее. И нам пришлось спроектировать особую ловушку, которая использует тот факт, что атом водорода имеет слабовыраженные магнитные свойства».
Антиводород в установке ALPHA получается путем смешивания облака плазмы, состоящей из 90 тысяч антипротонов, с облаком позитронов. В результате этого получается около 25 тысяч атомов антиводорода за один раз. И заманить в ловушку получается только 14 атомов антиматерии из всего этого количества. Но и такое количество является существенным достижением, предыдущие технологии позволяли улавливать всего 1-2 атома за один раз.
Ловушка с заключенными в ней атомами антиводорода освещается лучом лазерного света со строго определенной частотой. При этом ученые получают возможность наблюдать за электронными переходами 1S-2S. Состояние 2S атома водорода является одним из самых стабильных и ему соответствует узкая спектральная линия, особенно хорошо подходящая для произведения высокоточных измерений.
В ближайшем будущем ученые эксперимента ALPHA планируют поднять точность производимых ими измерений. Это будет использоваться не только для проверки и подтверждения достоверности Стандартной Модели. В случае обнаружения каких-либо различий между свойствами вещества и антивещества, это сможет дать подсказку относительно ответа на вопрос, куда делась вся антиматерия, которая возникла в равном количестве с обычной материей в момент Большого Взрыва.
