Фізика
Фізика

Охолодження протона змішуванням вдалося провести без змішування

Щоб дослідити частинку окремо, необхідно зупинити її на одному місці, а отже — охолодити. Охолодженими вони набагато більш стабільні та легше піддаються вимірюванням. Деякі частинки, як-то протони, напряму не охолоджуються і тому їх змішують з більш піддатливими і так знижують температуру. Цього разу фізикам вдалося добитися такого змішувального охолодження без змішування — протон охолонув на відстані 9 сантиметрів від охолоджуючих його іонів берилію. Це перше експериментальне свідчення роботи такого методу, який позбавляє протон необхідності взаємодіяти з іонами. Його можна буде пристосувати і до антиматерії, повідомляють вчені у Nature.

Спектри коливань осьової моди атома берилію та протона на тепловій мапі. Bohman et al. / Nature, 2021

Спектри коливань осьової моди атома берилію та протона на тепловій мапі. Bohman et al. / Nature, 2021

Навіщо охолоджувати протон?

Протон, як і інші елементарні частинки та відповідні їм античастинки, потребує високоточних вимірювань, щоб перевірити Стандартну модель, яка його описує, можливо, знайти докази існування Нової фізики, а також для квантових технологій. Наприклад, фізики досі не визначилися із зарядовим радіусом протона — так звана десятирічна «загадка радіуса протона». А іони цілком можуть стати кубітами для квантового комп'ютера, якщо їх захопити у пастку. Фундаментальні параметри частинок надзвичайно важливі для квантової електродинаміки, де, наприклад, нижня межа строку життя протона накладає обмеження на порушення баріонного числа. Воно є важливим інгредієнтом для пошуку причини виникнення асиметрії речовини і антиречовини у Всесвіті. Втім, частинки, а особливо окремо, вимірювати складно — їх потрібно якось зловити в одному місці та знерухомити, щоб мінімізувати їхню кінетичну енергію, яка заважає отриманню «чистих» результатів у експериментах. А знерухомлена частинка означає холодна частинка, тому фізикам потрібно знайти спосіб наблизитися до температури у нуль кельвінів.

Як холонуть частинки?

Фізики вміють багато чого охолоджувати: від атомів літію до атомів антиматерії, та від наномеханічних осциляторів до звукових хвиль. Ще 1975 року з'явився метод охолоджувати частинки лазером, використання якого зараз можна зустріти у вигляді пасток Пеннінга — пристроїв, що за допомогою однорідного статичного магнітного поля здатний обмежити рух частинок та втримати їх для зберігання. Нещодавно його, наприклад, вперше вдалося пристосувати до антиматерії. Однак, не зважаючи на те, що цей підхід працює навіть з атомами антиводню, він не може охолодити частинки, які не мають електронної структури. Це і протони, і антипротони, і атомні ядра. Для них фізики зазвичай використовують так зване симпатичне охолодження (sympathetic cooling), яке засноване на взаємодії частинок.

Так найнижчих температур вдається досягти, якщо взяти добре охолоджувану лазерними методами частинку, піднести її до тієї, що на це не піддається, та змусити їх взаємодіяти, щоб одна охолоджувала другу. Оскільки, наприклад, іон продовжує піддаватися лазерному охолодженню, нагрітися під дією того ж протона він не зможе, а продовжуватиме знижувати температуру йому. Протон та іон будуть відштовхувати один одного в межах іонної пастки, передаючи між собою кінетичну енергію доти, поки вони температурно не врівноважаться. Але у квантових системах будь-яка взаємодія спричиняє її зміни, а цей спосіб охолодження працює лише за наявності кулонівських взаємодій на близьких відстанях. Тож для точних вимірювань параметрів, фізики прагнуть обмежити будь-які сторонні впливи на досліджувані частинки.

Схема експерименту: дві пастки Пеннінга на відстані 9 сантиметрів, об'єднані з резонатором. Якщо власна частота коливань (кольорові стрілки поруч з частинками) протона така ж, як і у іонів, то вони взаємодіють, завдяки чому протон охолоджується. Bohman et al. / Nature, 2021

Схема експерименту: дві пастки Пеннінга на відстані 9 сантиметрів, об'єднані з резонатором. Якщо власна частота коливань (кольорові стрілки поруч з частинками) протона така ж, як і у іонів, то вони взаємодіють, завдяки чому протон охолоджується. Bohman et al. / Nature, 2021

Як охолодити змішуванням без змішування?

У цій роботі фізики колаборації BASE із ЦЕРН разом із японськими та німецькими колегами звернулися до ідеї з пастками Пеннінга, запропонованої більш як 30 років тому. Вона полягає у тому, щоб розділити іони та протон у різних пастках. Так 15 іонів берилію розділили з протоном по їхніх пастках, але дали їм змогу «спілкуватися» через надпровідний коливальний контур. Так, коли їхні власні частоти коливань (резонансні частоти) збігалися, частинки взаємодіяли, а охолоджувані лазером іони змушували втрачати температуру і протон. Температуру таким чином можна виміряти за «шумом» у контурі резонатора: частота коливань частинок відповідала їхній температурі, що видно за «провалами» на графіку спектра. Так з'ясувалося, що фізикам вдалося охолодити протон на 85 відсотків — до 2,6 кельвіна. Важливо зазначити, що оскільки для експерименту вчені використали метод дзеркальних зображень, іони передавали своє охолодження опосередковано, а отже так само можна працювати і з антипротонами для дослідження їхньої взаємодії з речовиною та пошуків темної матерії.

Ми вже згадали у новині, як лазером вдалося охолодити антиводень. Але іноді охолоджувати доводиться і набагато більші об'єкти. Так фізикам з колаборації LIGO вдалося охолодити 40-кілограмові дзеркала інтерферометра обсерваторії до 77 нанокельвінів - у них коливалося всього 11 фононів.

«Провал» у шумовому спектрі, який свідчить про частоту коливань частинок, а отже і про їхню температуру. Bohman et al. / Nature, 2021

«Провал» у шумовому спектрі, який свідчить про частоту коливань частинок, а отже і про їхню температуру. Bohman et al. / Nature, 2021