"Безумная мечта": физики впервые управляли антиматерией с помощью лазера

Революционный эксперимент осуществил давнюю мечту физиков.

Революционный эксперимент осуществил давнюю мечту физиков.
Фото Takamasa Momose.

Физики впервые использовали лазерный луч для управления антиматерией.

Физики впервые использовали лазерный луч для управления антиматерией.
Фото Maximilien Brice/CERN.

Художественное изображение траекторий атома антиводорода в магнитной ловушке  до (показано серым) и после (показано голубым) лазерного охлаждения.

Художественное изображение траекторий атома антиводорода в магнитной ловушке до (показано серым) и после (показано голубым) лазерного охлаждения.
Иллюстрация Chukman So/TRIUMF.

Революционный эксперимент осуществил давнюю мечту физиков.
Физики впервые использовали лазерный луч для управления антиматерией.
Художественное изображение траекторий атома антиводорода в магнитной ловушке  до (показано серым) и после (показано голубым) лазерного охлаждения.

В недавнем революционном эксперименте учёные впервые манипулировали антивеществом с помощью лазера. Это достижение открывает широчайшие возможности по исследованию антиматерии. Возможно, они помогут открыть тайну самого нашего существования.

Мир злых двойников

Напомним, что каждая элементарная частица имеет античастицу. Для протона это антипротон, для электрона – антиэлектрон, и так далее. Физики уже демонстрировали объединение античастиц в антиатомы, а теоретически из них могли бы получаться антимолекулы, антипланеты, антигалактики и антилюди.

Однако пожать руку антисебе – плохая идея. Когда частица встречается со своей античастицей, они обе аннигилируют (превращаются в излучение). Поэтому изучать антиматерию очень сложно. Её нужно держать в глубоком вакууме и следить, чтобы она не касалась стенок сосуда.

Теория утверждает, что античастица практически во всём ведёт себя так же, как и частица. Она имеет ту же массу и те же остальные характеристики, кроме электрического заряда, который противоположен заряду частицы. Однако эту теорию, как и любую другую, нужно проверить экспериментами. Причём любой их исход будет удачным в том или ином смысле. Если антиматерия снова и снова будет вести себя в точности как материя, значит, теория верна, и мы действительно правильно поняли, как устроена эта часть законов, управляющих Вселенной. А если обнаружится неожиданное отличие, это станет выдающимся открытием.

Революционный эксперимент осуществил давнюю мечту физиков.

Загадка нашего существования

С антиматерией связан ещё один волнующий вопрос. Он звучит просто: почему существуем мы и всё, что нас окружает?

Поясним. Естественно предположить, что в момент Большого взрыва антивещества образовалось столько же, сколько и вещества, раз уж они так похожи. Однако в первые доли секунды своей истории Вселенная была очень тесной, и материи некуда было деться от своего "злого двойника". Если бы вещества и антивещества было поровну, все частицы столкнулись бы со своими античастицами и превратились в фотоны. Не возникло бы ни атомов, ни звёзд, ни жизни: Вселенная была бы заполнена одним только излучением.

Это значит, что материи по каким-то причинам образовалось больше, чем антиматерии. У специалистов есть гипотезы о том, почему это произошло, но наверняка они не знают. Возможно, эксперименты с антивеществом прольют свет на эту проблему.

Физики впервые использовали лазерный луч для управления антиматерией.

Охлаждай и властвуй

Незаменимым средством исследования антиматерии мог бы стать лазер. Лазерный луч – это не вещество, и им можно совершенно безопасно касаться античастиц, не боясь, что они аннигилируют. Поэтому лазеры могут стать своеобразными пинцетами для манипулирования антивеществом, тем более что на обычном веществе подобные технологии давно отработаны.

Ещё одна незаменимая "рабочая лошадка" физиков – лазерное охлаждение. Его принцип прост. Как известно, температура определяется тем, насколько быстро движутся атомы. Представим себе движущийся атом и фотон, летящий ему навстречу. Атом поглощает фотон, и тот передаёт атому свой импульс, как бы толкая его в сторону, противоположную движению. В результате атом замедляется.

Таким путём можно так замедлить движение атомов, что температура опустится практически до абсолютного нуля. А это очень важно для экспериментаторов, ведь многие тонкие эффекты (например, квантовые) можно наблюдать только в таких условиях.

Художественное изображение траекторий атома антиводорода в магнитной ловушке до (показано серым) и после (показано голубым) лазерного охлаждения.

Технология лазерного охлаждения давно отработана на веществе, но никто никогда не применял её к антивеществу.

"Это была безумная мечта – манипулировать антивеществом с помощью лазера", – признаётся соавтор исследования Макото Фудзивара (Makoto Fujiwara) из научного центра TRIUMF в Канаде.

Преодолев все технические препятствия, экспериментаторы наконец взяли этот рубеж и охладили атомы антиводорода почти до абсолютного нуля.

Теперь исследователи собираются применить эту технологию во множестве интересных экспериментов. Например, они надеются однажды объединить антиатомы в антимолекулы.

Научная статья с результатами исследования опубликована в журнале Nature.

К слову, ранее мы рассказывали о том, что антиматерия образуется при ударах молнии.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".