Физики ЦЕРНа измерили спектр атомов антиматерии в 100 раз точнее

Участники эксперимента по исследованию атомов антиматерии в ЦЕРНе провели самые точные на сегодня измерения частот энергетических переходов в атомах антиводорода — в этот раз точность была доведена до двух триллионных, что более чем в сто раз превышает точность предыдущих измерений. Это позволило увидеть такие тонкие эффекты, как сверхтонкое расщепление спектральных линий излучения, и показать, что энергетические переходы в атомах водорода и антиводорода практически неотличимы, что согласуется с CPT-инвариантностью Стандартной модели. Работа ученых открывает новые возможности для поиска нарушений симметрии между материей и антиматерией, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

Для каждого типа элементарных частиц существуют свои античастицы, — антипротоны, антинейтроны, позитроны и другие. Такие частицы-двойники имеют одинаковую массу и спин, однако знаки электрического заряда и других квантовых чисел у них отличаются. Например, электрон имеет отрицательный заряд, а его античастица — позитрон — положительный. Это совпадение является проявлением CPT-инвариантности Стандартной модели — самой современной и точной модели элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий. Тем не менее, по некоторым причинам естественно предположить, что CPT-инвариантность может нарушаться, то есть массы частиц и античастиц отличаются. В частности, даже небольшое несоответствие позволит разрешить один из фундаментальных вопросов: почему во Вселенной практически нет антиматерии, хотя в момент Большого взрыва должны были возникнуть равные количества обычной материи и антиматерии.

Пока все эксперименты, в которых наблюдались античастицы, не нашли отличий между материей и антиматерией. Например, в одном из экспериментов в ЦЕРНе физики измерили массу антипротона, и она совпала с массой протона с точностью около одной пятисотмиллионной. То же самое можно сказать про g-факторы протона и антипротона, которые отличаются не более чем на одну миллиардную, и про отношение зарядов частиц к их массам, совпадающих с точностью около 65 триллионных. Однако измерения становятся значительно сложнее, когда речь идет об антиядрах, то есть ядрах антивещества, составленных из антипротонов и антинейтронов, и тем более о нейтральных антиатомах, то есть антиядрах, вокруг которых вместо электронов вращаются позитроны. С другой стороны, нарушения CPT-инвариантности должны сильнее проявляться именно в сложных системах.

Чтобы увидеть отличия между атомами материи и антиматерии, нужно измерить их энергетический спектр, то есть выяснить, на каких частотах атомы излучают электромагнитные волны (то есть фотоны). Электроны вокруг ядер не могут двигаться совершенно свободно, но переходят только между определенными уровнями с фиксированной энергией. Когда электрон «сваливается» с более высокого уровня на более низкий, энергия высвобождается — излучается фотон, частота которого связана с разницей между уровнями соотношением E = hν. Следовательно, по частоте излученных фотонов можно судить о положении энергетических уровней. В свою очередь, эта энергия существенно зависит от параметров частиц, из которых состоит атом.

В первом приближении энергия уровня определяется массой и зарядом этих частиц, однако при повышении точности измерений можно увидеть, как на них сказываются релятивистские эффекты и спин-орбитальное взаимодействие (в этом случае говорят о тонкой структуре спектральных линий), а также взаимодействие спинов ядра и электрона (сверхтонкое расщепление). Последний эффект увидеть особенно сложно — например, величина сверхтонкого расщепления основного состояния атома водорода составляет примерно 5,86×10⁻⁶ электронвольт, что в тысячу раз меньше расстояния между уровнями тонкой структуры и в миллион раз меньше расстояния между первым и вторым энергетическим уровнем. С другой стороны, слабые отличия между свойствами электрона и позитрона, протона и антипротона должны сильнее всего сказаться на этих эффектах.

Коллаборация ALPHA исследовала такие эффекты для атомов антиводорода, которые в ЦЕРНе получают из антипротонов с помощью специальной установки — Антпротононного замедлителя (Antiproton Decelerator), где они связываются с позитронами из пучка ионов натрия-22. Готовые атомы антиводорода попадают в магнитную ловушку (Penning trap), которая не дает им соприкоснуться с обычной материей и аннигилировать. По форме такая ловушка напоминает вытянутую бутылку, бо́льшая часть антиматерии находится около ее оси. Затем антиатомы облучают лазером, чье воздействие переводит позитроны на более высокий энергетический уровень, измеряют их реакцию и сравнивают с поведением атомов водорода.

В 2016 году ALPHA уже использовала этот подход для измерения частоты электронных переходов между состоянием с минимальной энергией и первым энергетическим уровнем (переход 1S — 2S) в атомах антиводорода с точностью две части на десять миллиардов (2×10⁻¹⁰). Тогда измеренные значения хорошо совпали с характеристиками обычного водорода, однако точности измерений все-таки было недостаточно, чтобы в подробностях исследовать сверхтонкое расщепление энергетических уровней. В этих измерениях ученые использовали излучение лазера двух разных длин волн: одна из них соответствовала переходу 1S—2S в водороде, а вторая — «сбивала настройку». При этом учитывалось число атомов, которые выпадали из ловушки в результате взаимодействия между лазером и атомом.

Теперь ALPHA разработала новый метод: в эксперименте использовался не один, а несколько «расстраивающих» лазеров с длинами волн, которые были несколько ниже или выше длины волны, соответствующей 1S—2S переходу в водороде. Это позволило ученым измерить спектральные линии перехода 1S—2S в антиводороде, а также подробно исследовать сверхтонкую структуру каждой из этих линий. В самом деле, каждый из энергетических уровней в результате сверхтонкого расщепления разделяется на два подуровня, которые можно обозначить буквами c и d (уровень d находится выше). Из-за этого частота переходов 2S_d → 1S_d и 2S_c → 1S_c будет немного отличаться от частоты «чистого» перехода 2S → 1S. На практике удобнее исследовать d—d переход, поскольку он слабее зависит от колебаний магнитного поля ловушки.

В результате ученые получили, что в антиводороде частота d—d перехода примерно равна f ≈ 2,4660611030794(54)×10¹⁵ Герц. В то же время, для атомов обычного водорода она составляет f ≈ 2,4660611030803(06)×10¹⁵ Герц. Цифрами в скобках здесь обозначена абсолютная погрешность измерений. Таким образом, спектральные характеристики атомов водорода и антиводорода совпадают с точностью около 2×10⁻¹² (две триллионных) — это в 100 раз лучше, чем в 2016 году, и в целом укладывается в погрешность измерений. Другими словами, ученые снова не нашли отличий между материей и антиматерией.

«Мы пытались достичь этого уровня точности 30 лет и наконец добились этого», — говорит представитель коллаборации Джеффри Хангст (Jeffrey Hangst), слова которого приводятся в сообщении ЦЕРНа. Хотя этот уровень точности пока еще не достиг тех значений, которых удалось добиться для отдельных антипротонов, последние результаты ученых показывают, что вскоре они могут сравняться, и тогда это позволит провести беспрецедентный эксперимент по поиску нарушений CPT-симметрии.

В прошлом месяце физики из ЦЕРНа сообщили о подготовке нового эксперимента по изучению антиматерии, в ходе которого они планируют перевезти около миллиарда атомов антиводорода на грузовике. В дальнейшем перевезенные атомы будут использоваться для исследования ядерных сил внутри редких изотопов радиоактивных элементов. Также вы можете прочитать о том, как ученые синтезируют, хранят и изучают антиматерию, в нашем материале «С точностью до наоборот».

Дмитрий Трунин