Поведение антивещества в гравитационном поле изучат при помощи атомов позитрония

Ученые из ЦЕРН разработали новый способ получения долгоживущих атомов позитрония — так, чтобы на процесс не влияли электрические и магнитные поля.

Во Вселенной практически отсутствует антивещество, и физики пока не выяснили почему. Обнаружение любых различий между поведением вещества и антивещества в гравитационном поле Земли может пролить свет на этот вопрос. Атомы позитрония, состоящие из позитрона и электрона, — один из типов атомов антивещества, которые рассматривают в испытаниях, чтобы узнать, падает ли антивещество в гравитационном поле Земли с такой же скоростью, как и вещество. Однако существуют они очень недолго — всего 142 наносекунды, а этого недостаточно для проведения гравитационного эксперимента с антивеществом.

Исследователи активно ищут способы получения источников атомов позитрония, которые будут существовать дольше. В статье, опубликованной в журнале Physical Review A, коллаборация AEgIS из ЦЕРН описывает новый способ получения долгоживущего позитрония.

Чтобы быть полезным для гравитационных экспериментов с антивеществом, источник атомов позитрония должен производить долгоживущие атомы в больших количествах и на известных, контролируемых скоростях, на которые не влияют электрические и магнитные поля. Новый источник AEgIS отвечает всем этим требованиям, производя в минуту около 80 тысяч атомов позитрония, каждый из которых существует 1140 наносекунд и имеет известную скорость (между 70 и 120 километрами в секунду), которую можно контролировать с высокой точностью.

В чем подвох? Они используют специальный позитрон-позитрониевый преобразователь для производства атомов в одной вспышке ультрафиолетового света, который выстрелом убивает сразу двух зайцев. Так, лазер переводит атомы из электронного состояния с наименьшей энергией в долгоживущее состояние с более высокой энергией и может отобрать только атомы с определенной скоростью.

Исследователи не впервые создают источник долгоживущих атомов позитрония. Существуют и другие подобные техники — например, метод, приводящий атомы в электронные состояния, называемые состояниями Ридберга, которые также могут использоваться в гравитационных экспериментах с позитронием. Однако все другие техники очень чувствительны к электрическим и магнитным полям, влияющим на скорость атомов,— а это придется учитывать при окончательных измерениях гравитации. Новый способ, разработанный AEgIS, «чище» в том смысле, что он не чувствителен к этим полям.

Следующим шагом на долгом пути к измерению влияния гравитации на позитроний при помощи нового источника AEgIS будет подтверждение того, что полученные атомы электрически нейтральны. Ускорительный комплекс ЦЕРН сейчас не работает и проходит двухлетнюю программу обновления, так что большинство экспериментов лаборатории, которым необходим протонный луч, приостановлены на этот период. Преимущество же эксперимента с позитронием в том, что ему не нужны протоны, так что его может проводить и при выключенном ускорителе.