Антиматерію вперше охолоджено майже до абсолютного нуля за допомогою лазера

Результат відкриває двері для набагато точніших досліджень внутрішньої структури антиводню та його поведінки під впливом сили тяжіння.

Про це розповідають в Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН).

Співпраці ALPHA (Апаратура для лазерної фізики з антиводнем), базована в ЦЕРНі, вдалося охолодити атоми антиводню — найпростішої форми атомної антиматерії — за допомогою лазерного світла. Ця методика, відома як лазерне охолодження, була вперше продемонстрована 40 років тому на звичайній матерії і є опорою багатьох областей досліджень. Її перше застосування до антиводню в ALPHA, описане у статті, опублікованій 31 березня у журналі Nature, відкриває двері для значно точніших вимірювань внутрішньої структури антиводню та його поведінки під впливом сили тяжіння. Порівняння таких вимірювань із вимірюваннями добре вивченого атома водню може виявити відмінності між атомами матерії та антиматерії. Такі відмінності, якщо вони існують, можуть пролити світло на те, чому Всесвіт складається лише з матерії — дисбаланс, відомий як асиметрія матерії-антиматерії.

Новини за подібною темою:

		Вперше отримано свідчення рідкісного розпаду бозона Хіггса
		Зроблено ще один теоретичний крок до розкриття таємниці темної матерії та чорних дір
		У пошуках темної матерії вчені виявили дещо цікаве

Експеримент ALPHA, фото: CERN

"Здатність атомів водню охолоджуватися лазером — це важлива зміна правил гри у спектроскопічних та гравітаційних вимірюваннях, і це може призвести до нових перспектив у дослідженнях антиматерії, таких як створення молекул антиматерії та розвиток антиатомної інтерферометрії", - говорить прес-секретар ALPHA Джеффрі Хангст. "Ми на сьомому небі. Приблизно десять років тому лазерне охолодження антиматерії було у сфері наукової фантастики".

Команда ALPHA робить атоми водню, беручи антипротони з Антипротонного уповільнювача ЦЕРНу і зв’язуючи їх з позитронами, що походять з натрію-22 у якості джерела. Потім, отримані атоми водню утримуються в магнітній пастці, що запобігає їх контакту з матерією, щоб вони не анігілювали. Далі, команда зазвичай проводить спектроскопічні дослідження, тобто вимірює реакцію антиатомів на електромагнітне випромінювання — лазерне світло або мікрохвилі. Ці дослідження дозволили команді, наприклад, виміряти з безпрецедентною точністю електронний перехід 1S–2S в антиводні. Однак, точність таких спектроскопічних вимірювань та запланованих на майбутнє вимірювань поведінки антиводню в гравітаційному полі Землі в поточних експериментах обмежена кінетичною енергією антиатомів або, що еквівалентно, їхньою температурою.

Саме тут і відбувається лазерне охолодження. У цій методиці лазерні фотони поглинаються атомами, що призводить до досягнення ними більш високоенергійного стану. Потім антиатоми випромінюють фотони і спонтанно розпадаються, повертаючись до початкового стану. Оскільки взаємодія залежить від швидкості атомів і як фотони придають імпульс, багаторазове повторення цього циклу поглинання-випромінювання призводить до охолодження атомів до низької температури.

У своїй новій роботі дослідники ALPHA змогли лазером охолодити зразок захоплених у магнітну пастку атомів антиводню шляхом неодноразового переведення антиатомів із менш низькоенергійного стану атомів (стан 1S) до більш високоенергійного стану (2S) за допомогою імпульсного лазерного світла з частотою трохи нижче частоти переходу між двома станами. Після освітлення захоплених атомів протягом декількох годин дослідники спостерігали більш ніж у десять разів зменшення середньої кінетичної енергії атомів, причому багато з антиатомів досягали енергії нижче мікроелектронвольту (приблизно 0,012 градусів вище абсолютного нуля у температурному еквіваленті).

Після успішного охолодження антиатомів за допомогою лазеру, дослідники прослідили, як лазерне охолодження впливає на спектроскопічне вимірювання переходу 1S–2S, і виявили, що охолодження призводить до вузькішої спектральної лінії переходу — приблизно в чотири рази вужче, ніж спостерігалася без лазерного охолодження.

"Наша демонстрація лазерного охолодження атомів антиводню та його застосування до спектроскопії 1S–2S є кульмінацією багаторічних досліджень та розробок в області антиматерії на Антипротонному уповільнювачі ЦЕРНу. Це, безумовно, найскладніший експеримент, який ми коли-небудь проводили", - говорить Хангст.

"Історично склалося так, що дослідники боролися за охолодження лазером звичайного водню, так що це вже багато років є божевільною мрією", - говорить Макото Фудзівара, перший прихильник ідеї використання імпульсного лазера для охолодження захопленого у пастку антиводню в ALPHA. "Тепер ми можемо мріяти про ще більш божевільні речі з антиматерією".

• антиматерія
• фізика елементарних частинок