Антиматерия не отличилась от материи взаимодействием с квантовыми флуктуациями
Физики измерили тонкое расщепление и лэмбовский сдвиг энергетических состояний атома антиводорода — они оказались такими же, что и у обычного водорода. Данные характеристики состояний позволяют искать различия между материей и антиматерией. Новые измерения устанавливают еще более строгие ограничения на нарушение CPT-симметрии, поэтому отсутствие антиматерии во Вселенной по-прежнему остается без объяснения, пишут авторы в журнале Nature.
У всех элементарных частиц существуют частицы-партнеры с обратными знаками зарядов — античастицы. В некоторых случаях частица и античастица совпадают (например, фотон), а других — отличаются (например, электрон и позитрон), а при взаимодействии аннигилируют с выделением энергии. Большинство физических законов действуют идентично на частицы и античастицы, однако на больших масштабах нет никаких признаков сосуществования двух видов материи. Факт столь значительного преобладания обычного вещества называется барионной асимметрией Вселенной. На данный момент не предложено исчерпывающей теории, объясняющей это наблюдение.
Одно из направлений исследований в этой сфере — поиск нарушения комбинированной CPT-симметрии, то есть эквивалентности физических процессов при одновременной инверсии всех зарядов, зеркального отражения пространства и обращения хода времени. Теоретически нарушение этой симметрии во время Большого взрыва может быть ответственным за нехватку антиматерии.
На нарушение CPT-симметрии могут указать как исследования отдельных частиц, таких как нейтральные каоны, позитроны и антипротоны (во всех случаях отклонения найти не удалось), так и сравнение материи с антиматерией. Для этого ученые исследуют электромагнитные спектры соответствующих веществ. С одной стороны, определяющие спектр энергии состояний зависят от множества факторов, а с другой — в случае простейших систем их можно с высокой точностью рассчитать теоретически. Также из-за практических проблем с содержанием антиматерии намного легче изучать простые системы.
Джеффри Хангст (Jeffrey Hangst) из Орхусского университета в Дании и его коллеги из CERN в рамках эксперимента ALPHA измерили новую характеристику спектра состоящего из антипротона и позитрона антиводорода — лэмбовский сдвиг. Этот феномен отвечает за небольшое смещение энергетических уровней из-за взаимодействия с нулевыми квантовыми флуктуациями вакуума. Данный эффект известен для обычного водорода, он может быть как измерен, так и теоретически вычислен. Оказалось, что в пределах погрешности у антиводорода лэмбовский сдвиг по величине не отличается.
Позитроны в антиатомах, так же, как и электроны в атомах, могут находиться только в состояниях с определенной энергией. Переход из состояния с более высокой энергией сопровождается испусканием фотона. Следовательно, спектр такой системы, то есть совокупность порождаемых ей фотонов, определяется различными уровнями энергий.
В первом приближении энергии состояний можно вычислить из модели Бора, однако в действительности на них также оказывает воздействие множество дополнительных явлений, значительно усложняющих картину, из-за чего возникает тонкая и сверхтонкая структура уровней. Одним из них является лэмбовский сдвиг, из-за «классического» варианта которого смещаются энергии уровней 2S1/2 и 2P1/2.
Основной вклад в лэмбовский сдвиг дает взаимодействие с квантовыми флуктуациями электромагнитного вакуума, то есть виртуальными фотонами, постоянно возникающими и исчезающими даже в отсутствии частиц и полей. Также величина данного сдвига зависит от ряда второстепенных факторов, таких как зарядовый радиус ядра, степень слабого ядерного взаимодействия и, возможно, еще неизвестных причин, отвечающих за барионную асимметрию. Помимо лэмбовского сдвига, текущая работа посвящена изменениям, вызванным тонким расщеплением. Из-за этого явления различаются энергии состояний 2P1/2 и 2P3/2.
В рамках эксперимента физики каждые несколько минут смешивали девяносто тысяч замедленных антипротонов с тремя миллионами позитронов. В результате получалось около двадцати антиводородов, которые затем удерживались в магнитной ловушке в сверхвысоком вакууме в течение не менее 60 часов. Лазер переводил антиатом в возбужденное состояние, а после перехода в основное происходила их аннигиляция с обычным водородом, в результате которой возникали заряженные пионы. Зависимость количества пионов с данной энергией от частоты возбуждающего лазера позволила определить спектр антиводорода.
Оказалось, что энергии переходов 1S–2P1/2 и 1S–2P3/2 у антиводорода такие же, как и у обычного водорода с точностью восемнадцать миллиардных. Тонкое расщепление между 2P1/2 и 2P3/2 удалось измерить с точностью в полпроцента — оно также совпало с известной для водорода величиной. Вместе с проведенными несколько лет назад измерениями переходов между состояниями 1S и 2S у антиводорода, авторам удалось измерить лэмбовский сдвиг — он также не отличается, но точность составляет всего 11 процентов (или 3,3, если при анализе использовать известное значение для обычного водорода).
Более точные измерения спектральных характеристик антиводорода позволят в будущем исследовать дополнительные параметры, по которым антивещество может отличаться. В частности, если лэмбовский сдвиг удастся определить с точностью в сотые доли процента, то можно будет измерить зарядовый радиус антипротона.
Ранее физики впервые заметили асимметрию между материей и антиматерией в распадах D-мезонов, заставили антиматерию показать волновые свойства. Все, что вы хотели знать об антиматерии — в вопросах и ответах в материале «С точностью до наоборот».
Тимур Кешелава
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.