Физики в очередной раз не нашли различий между материей и антиматерией

Физики из проекта ALPHA, который базируется в ЦЕРН, представили первые данные по замерам тонкой структуры спектра частиц антиматерии, по которой можно сделать выводы об устройстве ее квантовых энергетических уровней. В этом она оказалась похожа на обычную материю, пишут ученые в статье, которую опубликовал научный журнал Nature.

"Открытие любых расхождений в свойствах материи и антиматерии в буквальном смысле потрясет фундамент Стандартной модели. Эти замеры помогли нам реализовать нашу давнюю мечту и изучить некоторые аспекты взаимодействия антиматерии с окружающим пространством, в том числе измерить сдвиг ее нижних энергетических уровней", – прокомментировал результаты работы официальный представитель проекта ALPHA Джеффри Хангст.

Космологи предполагают, что во Вселенной в первые мгновения ее жизни материи и антиматерии было примерно поровну. Все химические и физические свойства их частиц, за исключением заряда, должны были быть одинаковыми – если, конечно, Стандартная модель не является неполной или ошибочной (эта теория описывает большую часть взаимодействий всех известных сейчас науке элементарных частиц).

Однако, это противоречит самому существованию реальности, так как все частицы материи и антиматерии должны были уничтожить друг друга, столкнувшись и взаимоуничтожившись в первые мгновения после Большого взрыва. Поэтому ученые уже много десятилетий спорят и гадают о том, почему в обозримой Вселенной практически нет антиматерии.

Многие физики считают, что ответ на эту загадку кроется в малейших различиях в свойствах, поведении и устройстве частиц антиматерии и материи. Недавно ученые нашли множество намеков на то, что подобные расхождения могут существовать, к примеру, в массах протонов и антипротонов. Однако пока ни одно из них физики еще не подтвердили.

Хангст и его коллеги уже много лет пытаются найти их с помощью прибора ALPHA-2 – специальной магнитной ловушки для позитронов и антипротонов, которая заставляет их объединяться и образовывать одиночные атомы антиматерии. Первые замеры такого рода, которые ученые провели в 2012-м, 2016-м и 2018 годах, показали, что в том, как свет возбуждает электроны и позитроны в атомах антиматерии и материи, нет различий.

Секреты антиматерии

В новой серии экспериментов ученые ЦЕРН впервые измерили так называемый Лэмбовский сдвиг для антиматерии. Так ученые называют небольшие различия в том, где распологаются два конкретных энергетических уровня внутри атома, 2s и 2p. Согласно теории, их положение должно совпадать, однако в реальности это не так – они оказываются сдвинуты относительно друг друга.

Существование этого разрыва связано с тем, что частицы материи и антиматерии постоянно взаимодействуют на квантовом уровне с парами виртуальных частиц и античастиц, которые непрерывно рождаются и исчезают в пустоте вакуума. Следы этого можно увидеть в так называемой "тонкой структуре" атома, наборе узких полосок в спектре, на которые расщепляются теоретически предсказанные энергетические уровни.

Участники проекта ALPHA впервые изучили структуру этого набора линий, пропустив 90 тысяч атомов антиводорода через мощное магнитное поле, а затем облучив их при помощи ультрафиолетового лазера и проследив за тем, как в результате поменялся их спектр. Эти данные ученые использовали для того, чтобы вычислить Лэмбовский сдвиг антиматерии и сравнить его с аналогичным параметром для водорода.

В целом полученные значения совпали с замерами для обычной материи и с результатами теоретических расчетов, которые учитывали квантовые эффекты. Как подчеркивает Хангст, эти данные пока предварительны, однако уже сейчас можно говорить, что замеры постоянной структуры не могут отклоняться от предсказаний теории более чем на 2%, а Лэмбовского сдвига – более чем на 11%.

В ближайшее время участники ALPHA планируют провести более точные замеры, охладив атомы антиводорода до температур, близких к абсолютному нулю. Эти наблюдения, как надеются ученые, окончательно подтвердят то, что значения Лэмбовского сдвига для материи и антиматерии одинаковы, а также что они помогут физикам точно измерить радиус антипротона.