Физики впервые провели анализ антиматерии
Антиматерия, «зеркальный близнец» обычного вещества, является весьма привередливым материалом. За последние 20 лет ученым удалось создать лишь простейшие атомы антивещества, которые можно поддерживать в сравнительно стабильном состоянии. Теперь же они пошли дальше и сделали первые измерения внутренней структуры антиводорода.
Водород — первый элемент в периодической таблице, который состоит из одного протона и одного электрона, вращающегося на его орбите. Соответственно, антиводород состоит из антипротона и антиэлектрона, т.н. позитрона. Если позитрон и электрон сталкиваются, они аннигилируют друг друга, в результате чего высвобождается энергия. Тот же принцип работает и при взаимодействии пары протон-антипротон. Поскольку наша Вселенная буквально переполнена различными сочетаниями протонов и электронов, сохранять античастицы продолжительное время весьма проблематично даже в лабораторных условиях.
Именно эту задачу хотят решить физики из Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA), одного из подразделений ЦЕРН. Они создают вакуум в намагниченной емкости, а затем внедряют в нее позитроны и антипротоны. В идеале, при таком сочетании колба будет удерживать систему в стабильном состоянии, после чего ученые смогут внимательно изучить ее с помощью лазерных технологий. Несколько лет назад им уже удавалось «запереть» антиводород на целых 15 минут — дольше, чем все предыдущие эксперименты. Во время последнего опыта, команде ALPHA все-таки удалось провести исследование, и результаты были опубликованы на портале Nature.
Джеффри Хангст, представитель ALPHA, считает, что ученые совершили то, что раньше считалось практически невозможным. В самом деле, он и его коллеги впервые провели спектроскопические измерения антиводорода. Спектроскопия — это методика, позволяющая выявить внутреннюю структуру атомов. Мы привыкли представлять отношения электрона и протона как нечто вроде планеты, которая вращается по фиксированной орбите вокруг звезды, но на самом деле электрон может занимать «орбиту» одного из нескольких энергетических уровней. Когда вы освещаете атом, электрон использует энергию фотонов, чтобы подняться на более высокий уровень, а потом снова спускается вниз, высвобождая избыток энергии в форме светового излучения.
Поскольку энергетические уровни располагаются на определенном, фиксированном расстоянии, электроны всегда поглощают и излучают вполне конкретное количество энергии. В результате это отражается на цветовой гамме светового излучения. К примеру, если вы хотите возбудить одинокий электрон атома водорода и перевести его с базового состояния до следующего уровня, то вам нужно осветить атом лазерным лучом со строго определенной длиной волны.
Для того, чтобы выполнить тот же тест с участием антиводорода, исследователи из ALPHA для начала должны были синтезировать и стабилизировать его, что, как мы помним, уже является подвигом само по себе. После этого на него необходимо воздействовать лазером, но вот проблема: если в экспериментах с водородом ученые располагали примерно триллионом атомов, то в данном случае их было всего... 15. Разумеется, при таких обстоятельствах работа становится гораздо сложнее и требует куда более тонкого, точечного подхода.
В будущем физики надеются произвести точные измерения энергетических уровней антиводорода и, сравнить их с обычным водородом, выяснить, чем еще может отличаться материя от антиматерию. Это может стать одним из ключевых факторов для понимания феномена Большого взрыва. Согласно современным теориям, во время этого события было произведено равное количество как материи, так и антиматерии. Поскольку эти вещества взаимно уничтожают друг друга во время контакта, в результате должно было образоваться огромное количество энергии и совершенно пустая, лишенная какого-либо вещества Вселенная. Если наука сможет ответить на вопрос, почему этого не произошло, возможно, нам придется полностью пересмотреть даже некоторые фундаментальные понятия физики.