Фізики ЦЕРНу виміряли спектр атомів антиматерії в 100 разів точніше
Учасники експерименту з дослідження атомів антиматерії в ЦЕРНі провели найточніші на сьогодні вимірювання частот енергетичних переходів в атомах антиводню - цього разу точність була доведена до двох трильйонних, що більш ніж у сто разів перевищує точність попередніх вимірювань. Це дозволило побачити такі тонкі ефекти, як надтонке розщеплення спектральних ліній випромінювання, і показати, що енергетичні переходи в атомах водню і антиводню практично невідличні, що узгоджується з CPT-інваріантністю Стандартної моделі. Робота вчених відкриває нові можливості для пошуку порушень симетрії між матерією та антиматерією, йдеться в статті, опублікованій в журналі.
Для кожного типу елементарних частинок існують свої античастинки, - антипротони, антинейтрони, позитрони та інші. Такі частинки-двійники мають однакову масу і спин, проте знаки електричного заряду та інших квантових чисел у них відрізняються. Наприклад, електрон має негативний заряд, а його античастинка - позитрон - позитивний. Цей збіг є проявом CPT-інваріантності Стандартної моделі - найсучаснішої і найточнішої моделі елементарних частинок і фундаментальних взаємодій. Тим не менш, з деяких причин природно припустити, що CPT-інваріантність може порушуватися, тобто маси частинок і античастинок відрізняються. Зокрема, навіть невелика невідповідність дозволить вирішити одне з фундаментальних питань: чому у Всесвіті практично немає антиматерії, хоча в момент Великого вибуху повинні були виникнути рівні кількості звичайної матерії і антиматерії.
Поки всі експерименти, в яких спостерігалися античастинки, не знайшли відмінностей між матерією і антиматерією. Наприклад, в одному з експериментів в ЦЕРНі фізики виміряли масу антипротона, і вона збіглася з масою протона з точністю близько однієї п'ятисотмільйонної. Те ж саме можна сказати про g-фактори протона і антипротона, які відрізняються не більше ніж на одну мільярдну, і про відношення зарядів частинок до їх масів, що збігаються з точністю близько 65 трильйонних. Однак вимірювання стають значно складнішими, коли мова йде про антиядри, тобто ядри антипротонів і антинейтронів, і тим більше про нейтральні антиатоми, тобто антиядри, навколо яких замість електронів обертаються позитрони. З іншого боку, порушення CPT-інваріантності повинні сильніше проявлятися саме в складних системах.
Щоб побачити відмінності між атомами матерії та антиматерії, потрібно виміряти їх енергетичний спектр, тобто з'ясувати, на яких частотах атоми випромінюють електромагнітні хвилі (тобто фотони). Електрони навколо ядер не можуть рухатися абсолютно вільно, але переходять тільки між певними рівнями з фіксованою енергією. Коли електрон «звалюється» з більш високого рівня на нижчий, енергія вивільняється - випромінюється фотон, частота якого пов'язана з різницею між рівнями співвідношенням = ^. Отже, за частотою випромінених фотонів можна судити про положення енергетичних рівнів. У свою чергу, ця енергія істотно залежить від параметрів частинок, з яких складається атом.
У першому наближенні енергія рівня визначається масою і зарядом цих частинок, однак при підвищенні точності вимірювань можна побачити, як на них позначаються релятивістські ефекти і спін-орбітальна взаємодія (в цьому випадку говорять про тонку структуру спектральних ліній), а також взаємодія спинів ядра і електрона (надтонке розщеплення). Останній ефект побачити особливо складно - наприклад, величина надтонкого розщеплення основного стану атома водню становить приблизно 5,86 − 10 ‑ 6 електронвольт, що в тисячу разів менше відстані між рівнями тонкої структури і в мільйон разів менше відстані між першим і другим енергетичним рівнем. З іншого боку, слабкі відмінності між властивостями електрону і позитрона, протона і антипротона повинні найсильніше позначитися на цих ефектах.
Колаборація ALPHA досліджувала такі ефекти для атомів антиводню, які в ЦЕРНі отримують з антипротонів за допомогою спеціальної установки - Антпротононного уповільнювача (Antiproton Decelerator), де вони зв'язуються з позитронами з пучка іонів натрію-22. Готові атоми антиводню потрапляють у магнітну пастку (Penning trap), яка не дає їм зіткнутися зі звичайною матерією і анігілювати. За формою така пастка нагадує витягнуту пляшку, бо більша частина антиматерії знаходиться біля її осі. Потім антиатоми опромінюють лазером, чий вплив переводить позитрони на більш високий енергетичний рівень, вимірюють їх реакцію і порівнюють з поведінкою атомів водню.
У 2016 році ALPHA вже використовувала цей підхід для вимірювання частоти електронних переходів між станом з мінімальною енергією і першим енергетичним рівнем (перехід 1S - 2S) в атомах антиводню з точністю дві частини на десять мільярдів (2 ст.110 − 10). Тоді вимірені значення добре збіглися з характеристиками звичайного водню, проте точності вимірювань все-таки було недостатньо, щоб в подробицях дослідити надтонке розщеплення енергетичних рівнів. У цих вимірах вчені використовували випромінювання лазера двох різних довжин хвиль: одна з них відповідала переходу 1S - 2S у водні, а друга - «збивала налаштування». При цьому враховувалося число атомів, які випадали з пастки в результаті взаємодії між лазером і атомом.
Тепер ALPHA розробила новий метод: в експерименті використовувався не один, а кілька лазерів з довжинами хвиль, які були дещо нижче або вище довжини хвилі, що відповідає 1S - 2S переходу у водні. Це дозволило вченим виміряти спектральні лінії переходу 1S - 2S в антиводороді, а також детально дослідити надтонку структуру кожної з цих ліній. Насправді, кожен з енергетичних рівнів в результаті надтонкого розщеплення поділяється на два подурівня, які можна позначити літерами і (рівень знаходиться вище). Через це частота переходів 2S-1S і 2S-1S буде трохи відрізнятися від частоти «чистого» переходу 2S-1S. На практиці зручніше досліджувати - перехід, оскільки він слабкіше залежить від коливань магнітного поля пастки.
В результаті науковці отримали, що в антиводороді частота - переходу приблизно дорівнює ст.12, 4660611030794 (54) 1015 Герц. У той же час, для атомів звичайного водню вона становить ст.12, 4660611030803 (06) 1015 Герц. Цифрами в дужках тут позначена абсолютна похибка вимірювань. Таким чином, спектральні характеристики атомів водню і антиводню збігаються з точністю близько 2 − 10 ‑ 12 (дві трильйонних) - це в 100 разів краще, ніж у 2016 році, і в цілому вкладається в похибку вимірювань. Іншими словами, вчені знову не знайшли відмінностей між матерією та антиматерією.
«Ми намагалися досягти цього рівня точності 30 років і нарешті домоглися цього», - говорить представник колаборації Джеффрі Хангст (Jeffrey Hangst), слова якого наводяться в повідомленні ЦЕРНу. Хоча цей рівень точності поки ще не досяг тих значень, яких вдалося досягти для окремих антипротонів, останні результати вчених показують, що незабаром вони можуть зрівнятися, і тоді це дозволить провести безпрецедентний експеримент з пошуку порушень CPT-симетрії.
Минулого місяця фізики з ЦЕРНу повідомили про підготовку нового експерименту з вивчення антиматерії, під час якого вони планують перевезти близько мільярда атомів антиводню на вантажівці. Надалі перевезені атоми будуть використовуватися для дослідження ядерних сил всередині рідкісних ізотопів радіоактивних елементів. Також ви можете прочитати про те, як вчені синтезують, зберігають і вивчають антиматерію, в нашому матеріалі «З точністю до навпаки».