Физики исследуют, почему вещество и антивещество не являются отражением друг друга (2 фото)

Если случаются несостыковки, то последствия могут быть серьезными. Когда физики объединяют Стандартную модель физики элементарных частиц и Общую теорию относительности Эйнштейна, они получают вполне четкое предсказание — в самой ранней Вселенной должно было появиться равное количество вещества и антивещества.

Поскольку одно уничтожает другое, результатом должна стать Вселенная, полная радиации, но без звезд, планет и туманностей, которые составляют галактики. И все же звезды, планеты и туманности существуют. Напрашивается вывод, что вещество и антивещество не так уж равны и противоположны дург другу, как предсказывают модели.

Эта проблема беспокоила физику последние полвека, но сейчас она, возможно, приближается к решению. В CERN, лаборатории физики элементарных частиц, расположенной недалеко от Женевы, три группы исследователей применяют различные методы, чтобы ответить на один и тот же вопрос: падает антивещество или поднимается? Теория относительности предсказывает падение, как и для обычной материи. И если антиматерия падает (имеется в виду падение аналогичное гравитационному притяжению яблока к Земле), то это может объяснить разницу между двумя формами вещества, которые позволили сформироваться материальной Вселенной.

Тестирование этой идеи сложно. Антивещество, необходимое для экспериментов, обычно получается в ускорителях в виде частиц, движущихся почти со скоростью света. Чтобы использовать его в гравитационном испытании, оно должно быть замедлено, изолировано от всех других сил и сохранено достаточно долго, чтобы отслеживать его падение или подъем (подъем следует понимать как вариант антигравитации). То есть, не позволяя никакой материи прикоснуться к ней, и таким образом уничтожить ее.

Это возможно только в CERN, который выделил один из своих меньших ускорителей для создания потока антипротонов с низкой энергией. Там это делают, разбивая высокоэнергетический пучок протонов об кусок иридия, а затем подавая полученные антипротоны в кольцо длиной 180 метров. Это кольцо действует как ускоритель частиц в обратном направлении, замедляя антипротоны до одной десятой скорости света.

Но поскольку антипротоны заряжены электрически (они отрицательны, тогда как обычные протоны положительны), влияние гравитации на них поглощается окружающими электромагнитными силами, которые будут намного больше. В CERN ведется три разных типа экспериментов, и во всех трех ученые комбинируют полученные антипротоны с позитронами (антиэлектронами), чтобы создать атомы антиводорода. Они электрически нейтральны и, следовательно, невосприимчивы к подобным нарушениям.

Одна команда, AEGIS (Эксперимент по антиводороду: гравитация, интерферометрия, спектроскопия), направляет полученный пучок антиводорода в то, что называется дефлектометром Муара. Он расщепляет луч и затем рекомбинирует его для создания интерференционной картины. Гравитационные эффекты должны проявляться в виде небольших сдвигов в модели.

Вторая группа, GBAR (Гравитационное поведение антиводорода в покое), проводит две дополнительные стадии замедления, затем добавляет два позитрона к каждому антипротону, чтобы создать положительно заряженный антиводородный ион. Такие ионы, именно потому, что они заряжены, могут быть еще более замедлены с помощью электрического поля. Это позволяет получить скорость, сопоставимую со скоростью ходьбы человека. Затем поле направляет их к целевой точке, где они закрепляются вторым полем, а дополнительный позитрон отсекается импульсами лазерного излучения. В этот момент ионы становятся электрически нейтральными, поэтому гравитация является единственной оставшейся силой, действующей на них. Таким образом, направление их падения можно наблюдать непосредственно.

Третья команда, ALPHA, может быть ближе всех к успеху. Эта группа провела последние 18 лет, измеряя все возможные свойства антиводорода, и стала очень искусной в «остановке» и охлаждении до половины градуса от абсолютного нуля (холодный атом — это медленно движущийся атом). В своей пока лучшей попытке экспериментаторам ALPHA удалось собирать атомы антиводорода в ловушку и выключить магнитное поле, чтобы посмотреть, в каком направлении они дрейфуют. Но даже при такой температуре в системе все еще было много «шума». Это позволило команде сделать вывод только о том, что антивещество может падать вниз в любом месте в 110 раз быстрее, чем обычное вещество, или «падать вверх» в любом месте в 65 раз быстрее, чем падает обычное вещество.

Теперь исследователи ALPHA хотят применить технику, называемую лазерное охлаждение, для воздействия на антиводород. Это должно привести антиатомы с точностью до нескольких сотых градуса абсолютного нуля. При таком холодном антиводороде аналогичный тест на дрейф дал бы гораздо более точное измерение гравитационного поведения.

Мало кто действительно верит, что антивещество падает, потому что существующая теория предсказывает, что этого не должно происходить. Но в 1887 году существовавшая теория предсказывала, что видимая скорость света будет изменяться в зависимости от скорости движения наблюдателя. Когда Альберт Майкельсон и Эдвард Морли показали, что это не так, они заставили переписать учебники физики. Это может случиться снова.