Фізикам CERN вперше вдалося отримати стабільні атоми антиматерії — антиводень у пастці, «сконструйованій» із потужного магнітного поля. Дослідження властивостей цих атомів прояснить причини зникнення антиматерії у Всесвіті після Великого вибуху.

Фізики експерименту ALPHA в CERN створили ефективний спосіб одержання та стабілізації атомів антиматерії — атомів антиводню, що складаються не з електрона та протона, а з відповідних їм античастинок — позитрона та антипротона. Робота фізиків CERN опублікована в журналі Nature. Створення стабільних частинок антиматерії дозволяє вивчити їхні властивості, зокрема, отримати їхній спектр. Це, у свою чергу, стане черговою перевіркою пануючої теорії фізики часток - Стандартної моделі, а також дозволить судити про процеси, що протікали відразу після Великого вибуху.

Відповідно до сучасних уявлень про еволюцію Всесвіту, відразу після Великого вибуху у Всесвіті народилася однакова кількість речовини й антиречовини. Античастинки — «двійники» звичайних частинок, що мають таку ж масу та спін. Однак деякі інші квантові характеристики античастинок протилежні за своїм значенням тим же характеристикам частинок, наприклад електричний заряд. При зіткненні частинки й античастинки обидві вони зникають (цей процес називається анігіляцією) і відбувається виділення великої кількості енергії. Тобто теоретично однакова кількість речовини та антиречовини повинні бути повністю знищені при взаємодії, однак цього не відбулося, тому наш світ існує.

Проведені оцінки показують, що після Великого вибуху з кожних 10 000 000 000 частинок речовини й антиречовини вижила лише одна частинка речовини.

Зазначений феномен зветься баріонною асиметрією Всесвіту, однак дотепер не зовсім зрозуміло, чому вціліла речовина, а не антиречовина, в чому їхня принципова різниця. В 1967 році Андрій Сахаров сформулював три умови, виконання яких було необхідним для пояснення баріонної асиметрії. Одне із цих умов вимагає сильного порушення так званої CP-Симетрії - симетрії між матерією й антиматерією по заряду та просторових координатах.

Однак, щоб перевірити цю гіпотезу, потрібно вивчити властивості антиматерії, подивитися на її спектр. У свою чергу, для цього потрібно отримати самі атоми в достатніх кількостях, що живуть досить довго.

Вперше атом антиводню спостерігали в 1995 році в експерименті SP20 на прискорювачі LEAR в CERN, але тоді він існував тільки в прискорювачі протягом дуже малого часу (порядку 40 нс) і рухався зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Всього було зареєстровано 9 атомів антиводню. Така антиматерія не підходила для вивчення властивостей, тому вчені почали конструювати «пастки», у яких її можна накопичувати та утримувати.

Нагадаємо, конструювання таких пасток ускладнюється тим, частки антиматерії будуть анігілювати при зіткненні з будь-якою речовиною стінок, тому що всі вони складаються зі звичайної матерії.

Для цього потрібно «остудити» антипротони, знизити їхню енергію й швидкість руху. CERN - єдиний центр у світі, що має обладнання, спеціально призначене для створення та дослідження низькоенергетичних антипротонів.

Антипротони в експерименті ALPHA виробляються в умовах вакууму, однак це не вирішує проблеми анігіляції, вони залишаються оточені звичайною матерією. Тому, щоб продовжити час життя антиречовини, вчені «сконструювали» пастку із дуже сильного й складного по конфігурації магнітного поля. При наднизьких температурах у такій пастці накопичуються атоми антиводню, отримані при з'єднанні антипротонів і позитронів, що рухаються із приблизно рівними швидкостями.

У результаті вдалося на багато порядків збільшити час життя атомів антиводню: в експерименті ALPHA атом антиматерії існує протягом десятої частки секунди, і цього цілком достатньо для вивчення її властивостей.

Усього вдалося створити кілька тисяч атомів антиводню, а 38 з них прожили досить довго, щоб провести їхнє вивчення, говориться в статті.

«За незрозумілими поки причинами в природі немає антиматерії. Для нас це приголомшливе й навіть трохи гнітюче відчуття — дивитися на пристрій ALPHA і усвідомлювати, що в ньому знаходяться стабільні нейтральні атоми антиматерії. Це надихає нас працювати ще більше й активніше, щоб розкрити таємниці антиматерії», — сказав Джефрі Хангст із Університету Орхуса (Данія), керівник колаборації ALPHA, слова якого приводить прес-служба CERN.

За сучасним даними, антиматерії немає не тільки на Землі, але й взагалі у Всесвіті, хоча астрономи шукали й продовжують шукати її у найвіддаленіших куточках космосу.

Для забезпечення повної достовірності одержуваних наукових результатів CERN намагається забезпечити вивчення кожного явища двома незалежними групами вчених за допомогою принципово різної апаратури. Так, експерименти CMS і Atlas Великого адронного колайдеру дублюють один одного в пошуках бозону Хіггса й «нової фізики». Є колега й в експерименту ALPHA — це колаборація Asacusa, де нещодавно була розроблена нова технологія одержання атомів антиводню для створення пучка таких атомів, досить інтенсивного й стабільного в часі для докладного вивчення. Робота незабаром буде опублікована в Physical Review Letters.

«Ми в CERN використовуємо два альтернативних методи одержання та вивчення антиводню, і, думаю, в антиматерії не вийде довго приховувати від нас свої властивості. Попереду у нас ще велика робота, однак уже зараз ми задоволені тим, як функціонує техніка і йдуть експерименти», - додав Ясунорі Ямазака, представник колаборації Asacusa.

Слід зазначити, що, незважаючи на деякі твердження про небезпечність проведення такого роду експериментів, експерименти з антиматерією зовсім не є небезпечними. Хоча «шматочка» антиречовини масою всього один грам було б досить, щоб зробити вибух, порівнянний із вибухом ядерної бомби над Хіросімою, нагромадити таку кількість антиводню й зберегти його на достатньо довгий термін, як легко зрозуміти з опису експериментів вище, просто неможливо. У грамі речовини (і антиречовини) міститься близько 1 000 000 000 000 000 мільярдів часток, і для гіпотетичного виробництва такої їхньої кількості буде потрібно часу більше ніж час життя Всесвіту.

За матеріалами: gazeta.ru