На пороге новой физики: учёные охладили антиматерию почти до абсолютного нуля

Пока мы с вами заняты повседневными делами, ученые в ЦЕРН охлаждают почти до абсолютного нуля антиматерию и вообще-то стоят на пороге открытия Новой физики.
И так как нет на свете ничего интереснее чем тайны мироздания, предлагаю ненадолго отложить дела и погрузиться в изумительный мир физики. Начнем с того, что теорию антиматерии впервые предложил английский физик-теоретик, один из создателей квантовой теории Поль Дирак в 1928 году. Всего четыре года спустя его теория получила подтверждение. Сегодня мы знаем, что антиматерией ученые называют эфирную противоположность материи. Ее частицы идентичны своим материальным двойникам, за исключением их физических свойств – там, где электрон имеет отрицательный заряд, его антиматериальный двойник, позитрон, имеет положительный. Причина, по которой мы не сталкиваемся с антиматерией так часто, как с обычной материей, заключается в том, что они аннигилируют друг с другом при контакте, что чрезвычайно затрудняет хранение и изучение антиматерии в повседневной жизни.

Впервые физики использовали лазерный свет (фиолетовый) для охлаждения антиматерии. Серые линии показывают движение атома антиводорода до охлаждения; синие-после

Материя и антиматерия

Теория, которая описывает большую часть взаимодействий всех известных науке элементарных частиц называется Стандартной моделью. Если она верна, то все физические свойства и химические элементы частиц материи и антиматерии (за исключением заряда), должны были быть одинаковыми – космологи полагают, что в первые секунды после Большого взрыва материи и антиматерии во Вселенной было примерно поровну. Это, однако, противоречит реальности и ученые уже много десятилетий спорят о том, почему в наблюдаемой Вселенной антиматерии нет.
Сегодня многие ученые считают, что ответ необходимо искать в малейших различиях в поведении, свойствах и устройстве частиц материи и антиматерии. Такие различия, например, могут существовать в массах протонов и антипротонов, но на сегодняшний день доказательств этой теории нет. Причина, в частности, кроется в отсутствии разнообразных инструментов для сложных манипуляций с частицами антиматерии.
Недавно физики из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Швейцарии в рамках проекта ALPHA-2 попробовали решить проблему антиматерии с помощью специальной магнитной ловушки для позитронов и антипротонов, благодаря которым образуются одиночные атомы антиводорода.

Эксперимент ALPHA в ЦЕРН

Антиводород – простейший стабильный атом, который состоит только из частиц антиматерии, а именно антипротона и антиэлектрона (позитрона). В 1995 году 11 атомов антиводорода были получены в результате реакций в ускорителе частиц в ЦЕРН. Каждый атом существовал всего несколько десятков наносекунд.
Необходимо отметить, что с помощью так называемой магнитной ловушки, ученые уже не раз уточняли массу одиночных антипротонов и атомов антиводорода, а также измеряли их взаимодействие с гравитацией.

Как охладить антиматерию?

Разгоняя обычные частицы материи до скорости, близкой к скорости света, а затем разбивая их вместе, команда исследователей из Канады смогла создать античастицы. Затем ученые управляли и замедляли ускоряющиеся античастицы, используя чрезвычайно сильные магнитные и электрические поля. В конце концов, им удалось заключить облака позитронов и антипротонов в магнитное поле, пока те не объединились в антиводород. Когда это произошло, физики охладили антиводородное облако, взорвав его лазером. Но как вообще можно охладить что-то лазером?
Пристальное внимание к лазерам, которые используются в ALPHA-2 для измерения позитронов, антиводорода и свойств антипротонов, позволило ученым предположить, что их можно было бы использовать чтобы значительно «затормозить» движение частиц, тем самым охладив антиматерию.
В ходе исследования, результаты которого опубликованы в журнале Nature, физики подобрали для лазеров особую частоту работы, при которой пучки порождаемых ими частиц света активно взаимодействовали только с теми атомами антиводорода, что двигались в сторону детекторов ускорительной установки. Это позволило ученым быстро получить разреженное облако из атомов материи и антиматерии, которые двигались очень медленно и практически не сталкивались друг с другом.

Ведущий автор исследования Макото Фудзивара стоит перед экспериментальным аппаратом ALPHA в ЦЕРН в Швейцарии

Облучая атомы антиводорода таким образом, ученым в конечном итоге удалось охладить их на одну двадцатую градуса выше абсолютного нуля, что сделало антиматерию более чем в 3000 раз холоднее, чем самая холодная точка на нашей планете (самая низкая температура на Земле зарегистрирована в Антарктике и составляет -98°C). Также физики проследили за взаимодействием частиц антиводорода с фотонами (частицами света). Как отмечают авторы исследования, первое в истории охлаждение антиматерии увеличивает точность подобных измерений как минимум в четыре раза.
Между тем, новые исследования в этой области должны помочь ученым раскрыть некоторые из самых больших секретов Вселенной, например, как на антиматерию влияет гравитация и реальны ли некоторые из фундаментальных теоретических симметрий, предложенных физикой.»
В будущем мы хотим получить один антиатом в вакууме и разделить его на квантовую суперпозицию, чтобы он создал интерференционную картину с самим собой», – объясняют авторы исследования в интервью Live Science.
Все потому, что квантовая суперпозиция позволяет очень маленьким частицам, таким как антиводород, появляться более чем в одном месте одновременно. Поскольку квантовые частицы ведут себя и как частица, и как волна, они могут интерферировать друг с другом, создавая картину пиков и впадин, подобно тому, как волны из моря движутся через буруны. Одним словом, впереди еще очень много работы, но будущее определенно точно принесет с собой серьезные изменения в нашем понимании окружающей Вселенной.