Антивещество охладили лазерным лучом почти до абсолютного нуля

Теперь его собираются сбросить с высоты, чтобы выяснить, как на антиматерию действует гравитация.

Ученые из Канады в эксперименте Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) в Европейском совете по ядерным исследованиям (ЦЕРН) впервые охладили антивещество почти до абсолютного нуля, захватив его в магнитную ловушку и облучив лазерным светом.

Исследование опубликовано в журнале Nature, коротко о нем рассказывает Live Science.

Антивещество — противоположность обычной материи. Теория антивещества была впервые выдвинута Полем Дираком в 1928 году. Частицы антивещества идентичны своим двойникам, за исключением их зеркальных физических свойств: электрон имеет отрицательный заряд, а его двойник из антивещества, позитрон, — положительный. Причина, по которой мы не сталкиваемся с антивеществом так часто, как с обычной материей, заключается в том, что эти два вещества аннигилируют друг друга при контакте, что чрезвычайно затрудняет хранение и изучение антивещества при жизни в материальном мире.

Однако благодаря ряду технических достижений исследователи смогли это сделать. После ускорения обычных частиц материи до скорости, близкой к световой, а затем их столкновения команда ученых смогла создать античастицы. Затем исследователи замедлили движущиеся античастицы, используя чрезвычайно сильные магнитные и электрические поля. Облака позитронов и антипротонов удерживались внутри магнитного поля, пока не объединились, сформировав антиводород. На этом этапе исследователи охладили облако антиводорода, облучив его лазером, до 0,05 °К — почти до абсолютного нуля.

Но как охладить что-нибудь с помощью лазера? Движение частиц создает тепло. Хитрость заключается в том, что фотоны (световые частицы) в лазерном луче движутся в направлении, противоположном движущимся частицам антивещества. Поскольку фотоны имеют свой собственный импульс, их поглощение антиводородом при движении в противоположном направлении может фактически замедлить антиводород. Но свет может взаимодействовать с антивеществом только в том случае, если он настроен на определенные длины волн, на которых может поглощаться антиатомом.

«Представьте, что антиводород — это камень для керлинга, а фотоны — маленькие хоккейные шайбы, — сказал один из исследователей Макото Фудзивара. — Мы пытались замедлить камень, стреляя по нему шайбами только тогда, когда он двигался к нам. Это действительно сложно в атомном масштабе, поэтому мы используем эффект Доплера, чтобы настроить шайбы так, чтобы они могли взаимодействовать с камнем, когда он движется к нам, а не в другую сторону и не стоит на месте».

Охлажденное антивещество поможет исследователям проводить гораздо более точные измерения, открывая ряд экспериментов для исследования некоторых из самых глубоких загадок физики. Например, сбросив облако антивещества с высоты, можно проверить, реагирует ли оно на гравитацию так же, как и обычная материя. Или, посветив на это облако, можно сравнить уровни энергии антиводорода с уровнями энергии обычного вещества с беспрецедентной точностью.

«Мы хотим получить один антиатом в вакууме и разделить его на квантовую суперпозицию, чтобы он создавал интерференционную картину с самим собой», — сказал Фудзивара. Квантовая суперпозиция позволяет очень маленьким частицам, таким как атом антиводорода, появляться одновременно в нескольких местах. Поскольку квантовая частицы ведут себя и как частицы, и как волны, они могут мешать самим себе, создавая структуру пиков и впадин.

«Таким образом, мы действительно можем точно изучить, как он взаимодействует с другими силами и каковы его общие свойства», — пояснил ученый.

Команда планирует отправить антиатомы для экспериментов в открытый космос, а также объединить их для производства первых в мире молекул антивещества.

Фото: Maximilien Brice

Ученые раскрыли тайну происхождения антиматерии во Вселенной

Будущее человечества