Антиматерия впервые охлаждена почти до абсолютного нуля с помощью лазера

Результат открывает двери для гораздо более точных исследований внутренней структуры антиводорода и его поведения под влиянием силы тяжести.

Об этом рассказывают в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН).

Сотрудничеству ALPHA (Аппаратура для лазерной физики с антиводородом), базирующемуся в ЦЕРНе, удалось охладить атомы антиводорода — самой простой формы атомной антиматерии — с помощью лазерного света. Эта методика, известная как лазерное охлаждение, была впервые продемонстрирована 40 лет назад на обычной материи и является опорой многих областей исследований. Ее первое применение к антиводороду в ALPHA, описанное в статье, опубликованной 31 февраля в журнале Nature, открывает двери для значительно более точных измерений внутренней структуры антиводорода и его поведения под влиянием силы тяжести. Сравнение таких измерений с измерениями хорошо изученного атома водорода может обнаружить различия между атомами материи и антиматерии. Такие различия, если они существуют, могут пролить свет на то, почему Вселенная состоит только из материи — дисбаланс, известный как асимметрия материи-антиматерии.

Эксперимент ALPHA, фото: CERN

"Способность атомов водорода охлаждаться лазером — это важное изменение правил игры в спектроскопических и гравитационных измерениях, и это может привести к новым перспективам в исследованиях антиматерии, таких как создание молекул антиматерии и развитие антиатомной интерферометрии", - говорит пресс-секретарь ALPHA Джеффри Хангст. "Мы на седьмом небе. Примерно десять лет назад лазерное охлаждение антиматерии было в сфере научной фантастики".

Команда ALPHA делает атомы водорода, беря антипротоны с Антипротонного замедлителя ЦЕРНа и связывая их с позитронами, происходящими из натрия-22 в качестве источника. Затем, полученные атомы водорода содержатся в магнитной ловушке, что предотвращает их контакт с материей, чтобы они не аннигилировали. Далее, команда обычно проводит спектроскопические исследования, то есть измеряет реакцию антиатомов на электромагнитное излучение - лазерный свет или микроволны. Эти исследования позволили команде, например, измерить с беспрецедентной точностью электронный переход 1S-2S в антиводороде. Однако, точность таких спектроскопических измерений и запланированных на будущее измерений поведения антиводорода в гравитационном поле Земли в текущих экспериментах ограничена кинетической энергией антиатомов или, что эквивалентно, их температурой.

Именно здесь и происходит лазерное охлаждение. В этой методике лазерные фотоны поглощаются атомами, что приводит к достижению ими более высокоэнергичного состояния. Затем антиатомы излучают фотоны и спонтанно распадаются, возвращаясь к исходному состоянию. Поскольку взаимодействие зависит от скорости атомов и как фотоны придают импульс, многократное повторение этого цикла поглощения-излучения приводит к охлаждению атомов до низкой температуры.

В своей новой работе исследователи ALPHA смогли лазером охладить образец захваченных в магнитную ловушку атомов антиводорода путем неоднократного перевода антиатомов с менее низкоэнегетичного состояния атомов (состояние 1S) до более высокоэнергичного состояния (2S) с помощью лазерного света с частотой чуть ниже частоты перехода между двумя состояниями. После освещения захваченных атомов в течение нескольких часов исследователи наблюдали более чем в десять раз уменьшение средней кинетической энергии атомов, причем многие из антиатомов достигали энергии ниже микроелектронвольта (примерно 0,012 градусов выше абсолютного нуля в температурном эквиваленте).

После успешного охлаждения антиатомов с помощью лазера, исследователи проследили, как лазерное охлаждение влияет на спектроскопическое измерения перехода 1S-2S, и обнаружили, что охлаждение приводит к более узкой спектральной линии перехода - примерно в четыре раза уже, чем наблюдалась без лазерного охлаждения.

"Наша демонстрация лазерного охлаждения атомов антиводорода и его применение к спектроскопии 1S-2S является кульминацией многолетних исследований и разработок в области антиматерии наАантипротонном замедлителе ЦЕРНа. Это, безусловно, самый сложный эксперимент, который мы когда-либо проводили", - говорит Хангст.

"Исторически сложилось так, что исследователи боролись за охлаждение лазером обычного водорода, так что это уже много лет является сумасшедшей мечтой", - говорит Макото Фудзивара, первый сторонник идеи использования импульсного лазера для охлаждения захваченного в ловушку антиводорода в ALPHA. "Теперь мы можем мечтать о еще более безумных вещах с антиматерией".

.