Физика

Исследователи впервые манипулируют антивеществом с помощью лазеров


Исследователи из коллаборации ALPHA в ЦЕРНе объявили, что они успешно охладили образец антивещества до абсолютного нуля с помощью лазерной системы канадского производства. Это беспрецедентное достижение кардинально изменит картину исследований антивещества. В частности, это открывает путь для более точных исследований внутренней структуры антиводорода и его поведения под действием силы тяжести.

Коллаборация ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) нацелено на улавливание антивещества в форме антиводорода - простейшей формы атомарного антивещества - в магнитной ловушке для проведения экспериментов с антиатомами. Физикам, участвовавшим в этих экспериментах, впервые удалось охладить атомы антиводорода с помощью лазерного излучения.

Поскольку они аннигилируют при контакте с веществом, атомы антивещества чрезвычайно трудно создавать и контролировать, и никогда раньше ими не манипулировали с помощью лазера. "Это, безусловно, самый трудный опыт, который у нас когда-либо был", - подтверждает Джеффри Хангст, представитель коллаборации ALPHA.

Сравнение этих измерений с измерениями хорошо известного атома водорода может выявить различия между атомами вещества и антивещества. Эти различия сами по себе могут помочь разгадать тайну асимметрии материи и антивещества во Вселенной, что противоречит тому, что предсказывают модели Большого взрыва.

Охлаждение для уменьшения кинетической энергии

Как антивещество реагирует на гравитацию? Может ли антивещество помочь нам понять симметрии в физике? "Эти ответы могут коренным образом изменить наше понимание нашей Вселенной", - сказал Такамаса Момосе, исследователь из Университета Британской Колумбии и член канадской команды ALPHA, которая руководила разработкой лазера. Этот метод лазерного охлаждения был впервые продемонстрирован 40 лет назад на обычном веществе; он поистине произвел революцию в современной атомной физике, и сейчас этот процесс широко используется во многих областях исследований. Но это первый случай, когда он был успешно использован на антивеществе. Полученные результаты позволят лучше понять внутреннюю структуру антиводорода и его поведение под действием силы тяжести.

Коллаборация ALPHA производит атомы антиводорода, собирая антипротоны из антипротонного замедлителя ЦЕРН и связывая их с позитронами изотопа натрия Na-22. Эти атомы антиводорода затем захватываются магнитной ловушкой, которая не позволяет им вступить в контакт с веществом и аннигилировать. Как только атомы попадают в ловушку, ученые могут проводить спектроскопический анализ, который измеряет реакцию антиатомов на электромагнитное излучение (лазерный свет или микроволны).

Начатый в конце 2005 года эксперимент ALPHA направлен на захват и изучение атомов антиводорода и сравнение их с атомами водорода. © ЦЕРН

Эти анализы позволили команде ALPHA с беспрецедентной точностью измерить спектральную форму и частоту электронного перехода 1s-2s в атоме антиводорода - переход электрона от его начального энергетического уровня, основного состояния, к более высокому энергетическому уровню. Однако оказывается, что точность этих измерений и будущих исследований поведения антиводорода в гравитационном поле Земли ограничена кинетической энергией, которую можно в некотором роде сравнить с "температурой" антиатомов.

Антиатомы близки к абсолютному нулю

Техника лазерного охлаждения как раз и позволяет обойти эти ограничения. С помощью этой техники фотоны лазера поглощаются антиатомами, которые затем переходят в состояние более высокой энергии. Затем антиатомы испускают фотоны и спонтанно возвращаются в свое основное состояние; именно повторение этого цикла поглощения-излучения приводит к "охлаждению" антиатомов и постепенно ограничивает их движения.

В этом новом исследовании команде ALPHA удалось охладить образец атомов антиводорода, захваченных в магнитную ловушку. Неоднократно, в течение нескольких часов, антиатомы переходили с самого низкого энергетического уровня (состояние 1s) на самый высокий уровень (2p) благодаря лазерному лучу, пульсирующему с несколько меньшей частотой, чем при переходе между этими двумя состояниями. Результат: большое количество антиатомов достигло энергий ниже микроэлектронвольта, что эквивалентно примерно 0,012 °C выше абсолютного нуля по температуре.

Записанные спектры перехода 1s-2s без охлаждения (красный цвет) и с охлаждением (зеленый цвет).

После охлаждения антиатомов исследователи заметили, что спектральная линия, соответствующая переходу 1s-2s, была в четыре раза уже, чем наблюдаемая без использования лазерного охлаждения! "Достичь этого с помощью антиводорода - это то, о чем мы мечтали годами. Теперь мы можем мечтать о еще более безумных вещах с антивеществом", - сказал Макото Фудзивара, первый, кто поддержал идею использования импульсного лазера для охлаждения захваченного антиводорода.

Лазерное манипулирование антивеществом действительно открывает путь к множеству передовых физических инноваций. Момосе и Фудзивара сейчас возглавляют новый канадский проект под названием HAICU по разработке новых квантовых методов исследования антивещества. "Мы находимся на грани того, чтобы создать первые в мире молекулы антивещества, объединив антиатомы с помощью нашей технологии лазерной манипуляции", - сказал Момосе.

Back to top button