Технології
Технології

Антиводень вперше вдалося охолодити лазером

Фізикам з колаборації ALPHA у ЦЕРН вдалося вперше пристосувати лазерне охолодження для антиматерії та зменшити кінетичну енергію атомів антиводню у магнітній пастці. Такий більш локалізований та щільний зразок антиматерії дасть змогу покращити експериментальні дослідження антиводню та потенційно стане у нагоді для майбутніх експериментів зі створення молекул антиречовини. Можливість маніпулювати рухом антиатомів за допомогою лазерного світла вчені описали у статті, опублікованій у Nature. Продемонстрований метод у майбутньому дасть змогу проводити прямі порівняльні спостереження і з воднем, і з антиводнем одночасно.

Художня ілюстрація руху атома антиводню у магнітній пастці ALPHA до (сірим) та після (синім) лазерного охолодження. Chukman So/TRIUMF

Художня ілюстрація руху атома антиводню у магнітній пастці ALPHA до (сірим) та після (синім) лазерного охолодження. Chukman So/TRIUMF

Що таке антиводень?

У фізиці важливе місце займає симетрія — часова, зарядова й парна. Але особливо вчених займають її порушення — без нього у частинок не було би маси, а ми б ці частинки і не вивчали. Адже якби одного разу симетрія матерії та антиматерії не порушилася, то вони би просто анігілювали. Докладніше про це ми писали у матеріалі «Суперфізика та надмеханізми». Однак, щоб взагалі стверджувати щось про симетрію, нам потрібно перенести ці механізми із теоретичної у площину експериментальну. Тому ми шукали бозон Хіггса й тому досі шукаємо його рідкісні розпади, бо не впевнені у вичерпності Стандартної моделі. Для перевірки властивостей антиматерії та її ролі у Всесвіті вчені взялися за пошуки хоча би її атомів. Найкращим кандидатом для цього став антиводень, античастинка-партнер до найпростішого представника хімічних елементів — водню.

Про водень ми знаємо майже все, а за його спектрами поглинання вивчаємо нейтронні зірки та екзопланети. А оскільки водень — простий елемент, то і для синтезу антиводню також потрібні всього два інгредієнти — антипротон та антипозитрон. Тому вже у 1995 році фізики з ЦЕРН оголосили про створення перших атомів антиводню. Вчені вже досягли значних успіхів у його дослідженні: ми навчилися його синтезувати, втримувати у магнітній пастці, знаємо, скільки часу потрібно позитрону, що дійти до антипротона та утворити антиводень. На антиводні ми плануємо перевірити фундаментальні симетрії, які лежать в основі квантової теорії поля і загальної теорії відносності. Тому, наприклад, вченим цікаво побачити антигравітацію, щоб дізнатися, чи однакові працюють закони і для нашого Всесвіту, і для його «дзеркального зображення».

Спостереження атомів антиводню в експерименті ATHENA. Червоними лініями зображені позитрони, які розлітаються в протилежних напрямках при анігіляції, а жовтими — напрямки розлітання від анігіляції антипротонів. Свідченням народження антиводню є те, що треки цих частинок виходять з однієї точки / CERN Courier 

Спостереження атомів антиводню в експерименті ATHENA. Червоними лініями зображені позитрони, які розлітаються в протилежних напрямках при анігіляції, а жовтими — напрямки розлітання від анігіляції антипротонів. Свідченням народження антиводню є те, що треки цих частинок виходять з однієї точки / CERN Courier

Де його знайти?

У своєму експерименті вчені створювали антиводень за допомогою пастки Пеннінга — пристрою, який за допомогою однорідного статичного магнітного поля здатний обмежити рух частинок та втримати їх для зберігання. Антиводень для охолодження лазером фізики утворили, стикнувши 105антипротонів та 3 × 106позитронів. За кожний цикл виробництва, протягом чотирьох хвилин, їм вдавалося отримати по 10-30 антиатомів, утримувати їх магнітним полем та накопичити ще близько тисячі таких протягом декількох годин. На жаль прямі експерименти з антиматерією проводити технічно дуже складно, бо при контакті з матерією вона просто анігілює. Лише 10 років тому, у рамках цього ж експерименту ALPHA, нам вдалося «затримати» антиводень більш як на 16 хвилин.

Кінцева кінетична енергія антиатомів накладає суттєві обмеження на точність вимірювання, а тому важливим завданням є синтез антиводню на мінімально можливих кінетичних енергіях. «Найживучішим» енергетичним переходом водню є перехід з 1S-орбіталі на 2S-орбіталь — він живе 1/8 секунди. Тому, щоб перевірити, чи дійсно експериментатором вдалося охолодити створений антиводень за допомогою лазера, вони демонстрували зменшення кінетичної енергії на прикладі цього переходу. Властивості антиатома відстежували за допомогою спектроскопії та за його анігіляцією, яку аналізували за допомогою машинного навчання та кремнієвим вершинним детектором (silicon vertex detector) у пастці.

Порівняння спектральних форм ліній між холодними та гарячими антиатомами у межах однієї серії в охолоджувальному експерименті. C. J. Baker et al. / Nature, 2021

Порівняння спектральних форм ліній між холодними та гарячими антиатомами у межах однієї серії в охолоджувальному експерименті. C. J. Baker et al. / Nature, 2021

Навіщо охолоджувати антиводень лазером?

Попри популярний образ лазера як способу що-небудь розплавити, для дослідження окремих атомів їх використовують навпаки — як охолоджувач. Завдяки уповільненню лазерами руху атомів та іонів нам вдалося дослідити вироджені гази, розробити атомні годинники, переносити інформацію квантами та уточнювати фізичні константи. Однак, цей поширений у дослідженнях метод досі не використовувався для антиматерії й на це був ряд технічних причин. По-перше, складно генерувати і передавати випромінювання на довжині хвилі саме 121,6 нанометра, що необхідно для дослідження антиводню на потрібному енергетичному переході — зручних лазерів або нелінійних кристалів, які могли б не втрачати потужність в повітрі і в оптичних компонентах, не існує. По-друге, експериментальні вимоги експериментів з антиводню сильно обмежують оптичний доступ до антиатомів, адже досліджувати їх необхідно одразу на місці народження, враховуючи час їхнього існування. На отримуваний сигнал також впливає і невелика кількість отриманих атомів, що також і не допомагає вченим «врівноважувати» частинки зіткненнями для досягнення тривимірного охолодження.

Як це вдалося вченим?

У своїй роботі фізики звернулися до одного із методів лазерного охолодження, доплерівського, який використовує випромінювання з частотою, нижчою енергією резонансного переходу в атомі. Така постановка світла на більш низьку частоту через ефект Доплера дає змогу атомам поглинати більше фотонів та рухатися до джерела світла. Таким чином, якщо атом летить назустріч фотону, то його кінетична енергія зменшується та разом із собою зменшує і температуру всього газу. У дослідженні фізиків антиводень зменшив свою кінетичну енергію — охолонув, що вчені побачили у звуженні спектральної лінії, й змогли вирахувати температуру такого газу — 50 мілікельвінів.

Моделювання перед експериментом показало, що низьку швидкість збудження атомів через їхню малу кількість можна подолати за допомогою посилення профілю магнітного поля пастки, яка їх втримує. Тому для реалізації своєї ідеї фізики побудували новий твердотілий імпульсний лазер, який допоміг дістатися до захопленого у пастку антиводню й в ультрафіолетовому, й у вакуумному ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль. Збільшення порівняно із попередніми експериментами кількості надпровідних котушок з чотирьох до восьми дало змогу навіть збільшувати швидкість лазерного збудження за рахунок зменшення неоднорідності поля поблизу центру пастки.