Эксперимент с антиматерией продемонстрировал удивительные результаты вблизи абсолютного нуля

На протяжении десятилетий исследователи играли с антивеществом в поисках новых законов физики. Эти законы могли бы проявиться в виде сил или других явлений, которые бы сильно отдавали предпочтение материи перед антиматерией, или наоборот. Однако физики не нашли ничего необычного, никаких убедительных признаков того, что частицы антиматерии - которые являются противоположно заряженными двойниками привычных частиц - подчиняются другим правилам.

Это не изменилось. Но во время проведения точных экспериментов с антиматерией одна команда наткнулась на загадочную находку. При купании в жидком гелии гибридные атомы, созданные из материи и антиматерии, ведут себя неправильно. В то время как буйство рагу могло бы привести свойства большинства атомов в беспорядок, гибридные атомы гелия сохраняют удивительное единообразие. Открытие было настолько неожиданным, что исследовательская группа потратила годы на проверку своей работы, повторение эксперимента и споры о том, что может происходить. Окончательно убедившись в реальности своего результата, группа подробно изложила свои выводы сегодня в журнале Nature.

"Это очень интересно", - сказал Михаил Лемешко, физик-атомщик из Института науки и технологий Австрии, который не принимал участия в исследовании. Он ожидает, что результат приведет к новому способу захвата и тщательного изучения неуловимых форм материи. "Их сообщество найдет больше интересных возможностей для улавливания экзотических вещей".

Охлажденные антипротоны

Один из способов оценить свойства атомов и их компонентов - пощекотать их лазером и посмотреть, что произойдет, - этот метод называется лазерной спектроскопией. Например, лазерный луч с нужной энергией может на короткое время перевести электрон на более высокий энергетический уровень. Когда он возвращается на прежний энергетический уровень, электрон излучает свет определенной длины волны. "Это, если хотите, цвет атома", - говорит Масаки Хори, физик из Института квантовой оптики Макса Планка, который использует спектроскопию для изучения антиматерии.

В идеальном мире экспериментаторы увидели бы, что каждый атом водорода, скажем, сияет одинаковыми резкими оттенками. Спектральные линии" атома с предельной точностью показывают природные константы, такие как заряд электрона или то, насколько электрон легче протона.

Но наш мир несовершенен. Атомы мечутся, хаотично врезаясь в соседние атомы. Постоянная толкотня деформирует атомы, изменяя их электроны и, следовательно, энергетические уровни атома-хозяина. Посветите лазером на искаженные частицы, и каждый атом отреагирует по-своему. Четкие естественные цвета когорты теряются в радужных мазках.

Специалисты по спектроскопии, такие как Хори, проводят свою карьеру, борясь с этим "расширением" спектральных линий. Например, они могут использовать более тонкие газы, где столкновения атомов происходят реже - и энергетические уровни остаются более чистыми.

Вот почему проект Анны Сотер, которая в то время была аспиранткой Хори, изначально показался нелогичным.

В 2013 году Сотер работала в лаборатории ЦЕРН над экспериментом по изучению антиматерии. Группа собирала гибридные атомы материи-антиматерии, запуская антипротоны в жидкий гелий. Антипротоны - это отрицательно заряженные двойники протонов, поэтому антипротон может время от времени занимать место электрона на орбите ядра гелия. В результате была получена небольшая когорта атомов "антипротонного гелия".

Проект был разработан, чтобы проверить, возможна ли вообще спектроскопия в гелиевой ванне - доказательство концепции для будущих экспериментов, в которых будут использоваться еще более экзотические гибридные атомы.

Но Сотер было интересно, как гибридные атомы будут реагировать на разные температуры гелия. Она убедила коллаборацию потратить драгоценное антивещество на повторение измерений во все более прохладных гелиевых ваннах.

"Это была случайная идея с моей стороны", - говорит Сотер, ныне профессор Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе. "Люди не были уверены, что стоит тратить на это антипротоны".

В то время как спектральные линии большинства атомов могли бы полностью сбиться с толку во все более плотной жидкости, расширившись, возможно, в миллионы раз, атомы Франкенштейна делали все наоборот. По мере того, как исследователи опускали гелиевую ванну до более ледяных температур, спектральное пятно сужалось. А ниже 2,2 кельвинов, где гелий становится "сверхтекучей жидкостью" без трения, они увидели линию, почти такую же резкую, как самая узкая, которую они наблюдали в газообразном гелии. Несмотря на то, что гибридные атомы материи и антиматерии, предположительно, подвергаются ударам со стороны плотной окружающей среды, они действуют в невероятном унисоне.

Не зная, что делать с этим экспериментом, Сотер и Хори остались наедине с результатом, размышляя над тем, что могло пойти не так.

"Мы продолжали спорить в течение многих лет", - говорит Хори. "Мне было не так-то просто понять, почему так произошло".

Со временем исследователи пришли к выводу, что ничего страшного не произошло. Узкая спектральная линия показала, что гибридные атомы в сверхтекучем гелии не испытывают атомных столкновений в бильярдном шаре, как это обычно происходит в газе. Вопрос заключался в том, почему. Проконсультировавшись с различными теоретиками, исследователи остановились на двух возможных причинах.

Одна из них связана с природой жидкой среды. Атомный спектр резко сузился, когда группа охладила гелий до состояния сверхтекучести - квантово-механического явления, при котором отдельные атомы теряют свою индивидуальность, что позволяет им течь вместе, не стираясь друг о друга. Сверхтекучесть снимает остроту атомных столкновений в целом, поэтому исследователи ожидают, что чужеродные атомы будут испытывать лишь слабое уширение или даже ограниченное стягивание в некоторых случаях. "Сверхтекучий гелий, - сказал Лемешко, - это самая мягкая из известных вещей, в которую можно погрузить атомы и молекулы".

Но хотя сверхтекучий гелий, возможно, и помог гибридным атомам стать наиболее изолированными, это само по себе не может объяснить, насколько хорошо себя вели атомы. Другим ключом к их соответствию, по мнению исследователей, была их необычная структура, обусловленная компонентом антиматерии.

В обычном атоме крошечный электрон может далеко уйти от атома-хозяина, особенно при возбуждении лазером. На таком свободном поводке электрон может легко столкнуться с другими атомами, нарушая внутренние энергетические уровни своего атома (что приводит к расширению спектра).

Когда Сотер и ее коллеги поменяли проворные электроны на громоздкие антипротоны, они радикально изменили динамику атома. Массивный антипротон стал гораздо более домоседом, оставаясь вблизи ядра, где его может укрыть внешний электрон. "Электрон - это как силовое поле, - говорит Хори, - как щит".

Тем не менее, эта грубая теория зашла так далеко. Исследователи до сих пор не могут объяснить, почему спектральное уширение менялось по мере перехода от газа к жидкости и сверхтекучести, и у них нет способа рассчитать степень сужения. "Нужно быть предсказуемым, иначе это не теория", - сказал Хори. "Это просто размахивание руками".

Между тем, это открытие открыло новую сферу для спектроскопии.

Существуют ограничения на то, что экспериментаторы могут измерить, используя газы низкого давления, в которых атомы перемещаются. Это бешеное движение создает больше отвлекающего уширения, с которым исследователи борются, замедляя атомы с помощью лазеров и электромагнитных полей.

Запихивание атомов в жидкость - более простой способ удержать их в относительно неподвижном состоянии, теперь, когда исследователи знают, что намокание частиц не обязательно разрушит их спектральные линии. А антипротоны - это всего лишь один из видов экзотических частиц, которые можно вывести на орбиту вокруг ядра гелия.

Группа Хори уже применила эту технику для изготовления и изучения "пионного" гелия, в котором чрезвычайно короткоживущая частица "пион" заменяет электрон. Исследователи провели первые спектроскопические измерения пионного гелия, которые они описали в журнале Nature в 2020 году. Далее Хори надеется использовать этот метод для изучения частицы каона (более редкого родственника пиона) и антивещественной версии пары протон-нейтрон. Такие эксперименты могут позволить физикам измерить некоторые фундаментальные константы с беспрецедентной точностью.

"Это новая возможность, которой раньше не существовало", - сказал Хори.