В эксперименте ASACUSA заработала линия по производству антиводорода

В эксперименте ASACUSA заработала линия по производству антиводорода

Рис. 1. Общий вид установки ASACUSA в ЦЕРНе, предназначенной для получения и изучения антиводорода. Изображение с сайта cds.cern.ch

Одна из групп, изучающих в ЦЕРНе свойства антиматерии, — ASACUSA — сообщает о том, что после десятилетия разработок и технических приготовлений их установка начала производить антиводород. Главная цель этого эксперимента — измерить величину сверхтонкого расщепления в антиводороде, сравнить результат с водородом и тем самым попытаться обнаружить различие между их энергетическими уровнями. В случае положительного результата это будет иметь радикальные последствия для современной физики микромира.

Зачем изучать антиводород?

На днях в журнале Nature Communications была опубликована статья, сообщающая об успешном синтезе антиводорода в эксперименте ASACUSA (рис. 1) — одном из экспериментов в ЦЕРНе, занимающихся изучением антивещества. Вообще-то, само по себе получение антиводорода — давно уже не новость, см. краткий экскурс в историю изучения антивещества в следующем разделе этой новости, а также тематическую страничку на сайте ЦЕРНа. Однако эксперимент ASACUSA, название которого расшифровывается как Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons («Атомная спектроскопия и столкновения с использованием медленных антипротонов»), ставит перед собой цели, недоступные прочим экспериментам. В нём физики собираются проводить, среди прочего, очень точные спектроскопические измерения антиводорода и сравнивать результаты с водородом. В случае обнаружения различия между уровнями энергии водорода и антиводорода эта находка станет революционным результатом для теорфизики.

Для начала стоит пояснить, почему такая, казалось бы, «скучная» атомная физика может иметь столь далекие последствия для устройства микромира. Дело в том, что в физике элементарных частиц есть очень важное утверждение, которое в самом упрощенном виде звучит так: все существенные свойства частиц и античастиц должны совпадать. У частиц и античастиц могут немножко отличаться угловые распределения или иные предпочтения в распадах или столкновениях, но интегральные характеристики должны быть одинаковыми. В квантовой теории это носит название CPT-симметрии (см. популярное ее описание), и практически все теории взаимодействия частиц — будь то Стандартная модель или многочисленные варианты Новой физики — действительно обладают этой симметрией. В применении к атомам антивещества это означает, что все уровни энергии в водороде и антиводороде должны быть одинаковые.

Есть, впрочем, класс теорий, которые допускают нарушение CPT-симметрии. Однако это нарушение дается не просто так: вместе с CPT-симметрией приходится «ломать» и лоренц-инвариантность теории (такая возможность возникает, в частности, в теории суперструн), то есть приходится сделать некоторые совершенно радикальные предположения о свойствах физического мира. Вот тогда спектроскопия водорода и антиводорода будет отличаться. Таким образом, экспериментальное наблюдение несовпадающих уровней энергии в водороде и антиводороде имело бы радикальные последствия для современной физики.

Конечно, все подобные эффекты должны быть слабые, иначе их проявление обнаружилось бы в свойствах элементарных частиц и их античастиц. Но слабость эффектов не должна пугать: ведь спектроскопические измерения как раз славятся своей сверхвысокой точностью. Например, в том же водороде разность энергии между уровнями 1S и 2S (то есть между основным и первым возбужденным состояниями электрона) уже измерена с точностью лучше, чем 10–14. Именно поэтому есть надежда, что самыми прозорливыми в этом вопросе окажутся эксперименты по сверхточному измерению уровней энергии в атоме антиводорода.

Теоретические исследования показывают, что наиболее чувствительной к гипотетическому CPT-нарушению будет разница энергий не между 1S и 2S, а между двумя очень близкими уровнями энергии, на которые расщепляется основное состояние электрона в водороде (рис. 2) — это называется сверхтонким расщеплением уровня энергии. Эти два состояния обладают одинаковым электронным распределением, но в них по-разному ориентированы спины протона и электрона относительно друг друга. Состояние, когда спины противоположны и полный спин атома равен нулю, обладает чуть-чуть меньшей энергией, чем состояние, когда спины электрона и протона параллельны. Эта разница энергий очень маленькая, в миллион раз меньше расстояния до возбужденного уровня 2S, однако и она измерена с огромной точностью, лучше чем одна триллионная (10–12). Кстати, это расщепление очень важно для астрофизики — оно дает знаменитую радиолинию межзвездного водорода с длиной волны 21 см.

Рис. 2. Основное состояние атома водорода расщепляется на два близких уровня с разной взаимной ориентацией спинов протона и электрона (сверхтонкое расщепление). Разница в их энергии примерно в миллион раз меньше энергии до ближайшего возбужденного состояния

Таким образом, для сверхточного измерения возможного CPT-нарушения от экспериментаторов требуется (1) создать антиводород, (2) зарегистрировать в нем сверхтонкое расщепление основного уровня, (3) измерить его величину с максимальной точностью и сравнить результат с данными по обычному водороду. Этой светлой цели посвящена большая программа экспериментальных исследований, которые проводятся в разных исследовательских центрах мира, и прежде всего в ЦЕРНе.

Изучение антиводорода: краткая история
 

Основные вехи в изучении антиматерии: от истоков квантовой теории, через открытие античастиц, в современных экспериментам в ЦЕРНе. Информация с сайта timeline.web.cern.ch

Вообще, античастицы (позитроны, антипротоны и т. д.) получать несложно: достаточно разогнать частицы до энергий в несколько ГэВ и направить этот поток на любую мишень. Тогда в столкновениях будет рождаться множество частиц, и иногда среди них будут встречаться частицы антивещества и даже антиядра. С помощью электрических или магнитных полей можно разделять частицы разного сорта, и таким образом можно получить поток антипротонов или позитронов. Всё это физики научились делать более полувека назад.

Получение атомов антиводорода — задача куда более сложная. Просто совмещать друг с другом потоки позитронов и антипротонов бесполезно. Энергии частиц велики, их концентрация, наоборот, мала, так что даже если антипротон и позитрон случайно столкнутся, они просто разлетятся и не образуют атом. Для получения атомов антивещества частицы требуется накопить, а потом охладить, то есть на несколько порядков уменьшить их скорости. Это сама по себе непростая задача, ведь антивещество не может долго находиться в контакте с обычной материей, а аннигилирует. (Впрочем, тут не стоит впадать в крайности: аннигиляция происходит вовсе не моментально, и если запустить позитрон в вещество, то он успеет прожить довольно бурную жизнь перед тем, как исчезнуть.)

Ну и наконец, даже если атомы антивещества получены, их еще требуется удержать и как-то зарегистрировать. Обычно их для этого удерживают в ловушках, стараясь избежать контакта со стенками. Но даже в условиях глубокого вакуума в ловушке всё равно летают молекулы обычного вещества, которые могут проаннигилировать с антиматерией, так что и эта задача оказывается совсем непростой. В общем, уже этот небольшой список очевидных трудностей наводит на мысль, что получение и тем более изучение антивещества — задача очень непростая в техническом плане.

Активную роль в изучении антиматерии играет ЦЕРН. Именно здесь на специальной установке LEAR в 1995 году были впервые получены атомы антиводорода. Антиматерия стала доступна для изучения, и в ЦЕРНе была развернута еще более обширная программа исследований антивещества. Сейчас там работает специальный антипротонный замедлитель AD, antiproton decelerator (да-да, в ЦЕРНе есть не только ускорители, но и замедлители!), который уменьшает энергию антипротонов до 5 МэВ и поставляет их в пять экспериментальных установок. В одной из них, ACE, антипротоны используются для развития антипротонной противораковой терапии, а в четырех остальных — для синтеза антиводорода и проведения различных экспериментов с ним. Так, в 2002 году два эксперимента, ATRAP и ATHENA, сообщили о создании антиводорода в количестве тысячи атомов, а совсем недавно, в 2011 году, коллаборация ALPHA смогла не просто получить антиводород, но и удерживала его в ловушке свыше 15 минут.

Подробнее о церновских экспериментах по производству антиводорода можно прочитать в цикле популярных рассказов «Сборка атома из рассыпных деталей», часть 1, часть 2, часть 2,5, часть 3.

Разумеется, все эти группы занимались не только производством антиводорода, но и изучением его свойств. В частности, коллаборация ALPHA впервые зарегистрировала сверхтонкое расщепление основного состояния в атоме антиводорода. Точность измерения была, конечно, очень низкой из-за малого количества атомов, но даже не в этом дело. Во всех этих экспериментах антиводород захватывается и изучается в магнитных ловушках. Но магнитное поле существенно влияет на структуру энергетических уровней атомов, причем не просто сдвигает, но и «размывает» их по энергии. Это всё ограничивает ту точность, на которую могут рассчитывать спектроскопические измерения антиводорода, а значит, резко уменьшает шансы обнаружить слабые отличия между спектром водорода и антиводорода, о которых мы говорили выше.

Именно преодоление этой «магнитной проблемы» является одной из главных целей коллаборации ASACUSA. Она не хочет ловить и удерживать антиатомы, она хочет измерять их на лету и без каких-либо магнитных полей. Это означает, что между местом производства антиводорода (где магнитные поля неизбежно присутствуют) и местом его изучения должна быть дистанция в несколько метров. Кроме того, поток антиводорода должен быть достаточно интенсивный, а его скорость мала, чтобы за время пролета антиатомов сквозь установку физики успели получить заметный сигнал от сверхтонкого расщепления.

Для выполнения этих задач коллаборация ASACUSA разработала, установила и отладила комбинацию из нескольких экспериментальных установок для удержания, замедления и объединения позитронов и антипротонов, а также для работы со сверхтонкими состояниями водорода и их детектирования. Последние несколько лет ASACUSA регулярно сообщала о промежуточных этапах работы, и вот сейчас им наконец-то удалось сделать первый важный шаг на пути к запланированному измерению — линия производства антиводорода заработала и готова к экспериментам.

Технология производства антиводорода в ASACUSA

Теперь полезно рассказать несколько слов про методику производства антиводорода в эксперименте ASACUSA. Общая схема экспериментального комплекса для измерения сверхтонкого расщепления в антиводороде показана на рис. 3. Она состоит из двух рукавов, по которым антипротоны и позитроны поступают в общую установку и объединяются там с образованием атомов антиводорода. Антипротоны производятся ЦЕРНом отдельно и поставляются в ASACUSA уже в предварительно охлажденном виде. Здесь они замедляются еще сильнее, захватываются в антипротонную ловушку и накапливаются там для дальнейшего использования. Позитроны получаются иначе — в результате распада радиоактивного изотопа 22Na. Они вылетают из распавшегося ядра с большой скоростью, и поэтому их тоже требуется охлаждать. Вначале они теряют свою энергию, проходя через «неоновый лед» — слой твердого неона, осажденный на стенки конической воронки вблизи источника. Несмотря на экзотично звучащее название, эта технология известна уже свыше 20 лет. Затем позитроны попадают в камеру с газовой смесью, замедляются еще больше, после чего их уже можно удерживать и накапливать в позитронной ловушке.

После того как будет набрано несколько миллионов антипротонов и позитронов, эти ловушки открываются, и оба облачка частиц поступают в единую камеру для объединения в атомы антиводорода. Даже этот процесс не так прост, как может показаться на первый взгляд. Оба облака частиц очень разрежены, и, несмотря на притяжение между позитронами и антипротонами, их столкновение с образованием связанного состояния происходит редко. К тому же антипротоны и позитроны, поступающие из своих ловушек, хоть и охлаждены, но всё равно движутся слишком быстро, и их требуется замедлить еще больше.

Рис. 3. Схема эксперимента ASACUSA (см. пояснения в тексте). Изображение из обсуждаемой статьи

В эксперименте ASACUSA для решения этой задачи используется электростатическая ловушка необычного типа, придуманная несколько лет назад (рис. 4). Вообще говоря, антипротоны и позитроны имеют противоположные электрические заряды, поэтому их нельзя удержать в одном и том же электрическом поле. Однако можно сделать вот что. Вначале в центре ловушки создают электростатический потенциал двугорбой формы (рис. 4, слева) и помещают туда позитроны. Положительно заряженные позитроны «чувствуют» потенциальную яму в центре ловушки, ограниченную барьерами по бокам, поэтому они спокойно сидят внутри ловушки и ждут своей участи.

Если впустить отрицательно заряженные антипротоны в тот же самый потенциал, то они просто пролетят его насквозь, не задержавшись в центре — ведь для них повышенный потенциал означает понижение потенциальной энергии. Поэтому на втором этапе потенциал с одного края поднимают, что уменьшает потенциальную энергию антипротонов и позволяет впустить их с этого края (рис. 4, в центре). Двигаясь в этом уменьшающемся потенциале, антипротоны замедляются, так как их потенциальная энергия увеличивается. Их энергия подбирается с таким расчетом, чтобы они еле-еле смогли доползти до позитронного облака. Ловушка затем закрывается, и в ней оказываются пойманными два перекрывающихся облака античастиц (рис. 4, справа). В области их пересечения и образуются атомы антиводорода.

Рис. 4. Идея соединения позитронов и антипротонов для образования антиводорода в электростатической ловушке необычной формы. Большой электростатический потенциал означает большую потенциальную энергию для позитронов и маленькую — для антипротонов. Манипуляция с потенциалом и настройка энергии антипротонов позволяют эффективно объединить два облака частиц, и в области их пересечения происходит синтез антиводорода (см. пояснения в тексте). Стрелка показывает направление, с которого в ловушку впрыскиваются антипротоны

Дальнейший полет атомов антиводорода

Поскольку атомы нейтральны, электростатический потенциал уже не ограничивает их движение, и они свободно «вываливаются» из ловушки. В той же ловушке имеется и магнитное поле сложной формы, которое может разделять состояния антиводорода с разным спином, на которые расщепляется основной энергетический уровень (рис. 2). В результате на выходе из ловушки будет идти строго поляризованный поток атомов антиводорода (рис. 5).

Рис. 5. Исследовательский участок в установке ASACUSA. Сложное магнитное поле внутри ловушки разделяет состояния с разным спином, так что на выходе получается поляризованный поток антиводорода. В микроволновом резонаторе при подходящей частоте происходят перекидывания между состояниями с разным спином, которые блокируются секступольным магнитом. Измеряя количество прошедших атомов в детекторе антиводорода, можно узнать эффективность процесса перекидывания и тем самым аккуратно измерить величину сверхтонкого расщепления. В описываемых экспериментах резонатор был пока выключен. Изображение с сайта asacusa.web.cern.ch

Такой антиводород можно транспортировать далеко, на расстояние в несколько метров от места получения. Магнитные поля в этом месте будут уже исключительно слабые, и они не будут мешать экспериментам по измерению сверхтонкого расщепления. Ну а само это измерение будет осуществляться стандартным для атомной физики способом. Атомы пролетают сквозь резонатор со слабым магнитным полем и со стоячей радиоволной. Когда частота волны совпадает с разностью частот между разными состояниями в сверхтонком расщеплении, начинается резонансный процесс перекидывания атомов из одного состояния в другое. Частоту радиоволны можно настраивать с очень высокой точностью, что позволит с такой же точностью измерять расщепление уровней. Оценки показывают, что относительная точность порядка 10–7 вполне достижима в эксперименте ASACUSA.

Это всё хорошо, но только это — дело будущего. Пока что коллаборация ASAGUSA хотела просто проверить, что образование антиводорода успешно идет. Для этого в конце инструментальной линии для изучения антиводорода были установлены детекторы на основе кристаллов ортогерманата висмута (Bi3Ge4O12, или, на жаргоне физиков, просто кристаллы BGO, стандартный материал для сцинтилляционных измерений в физике частиц). Эти кристаллы просто поглощали антиатомы, внутри них происходила аннигиляция антивещества с выделением энергии, и по вспышке света можно было измерить энергию атомов. Измерение энергии требовалось для того, чтобы отличить попадание настоящего атома антиводорода от посторонних событий. Количество событий было невелико, всего несколько десятков атомов за полтора часа, однако это кардинально отличалось от фона. Таким образом, антиводородный поток есть — эксперимент ASAGUSA официально заработал.

Это, конечно, только начало. На пути к полноценному измерению сверхтонкого расщепления в антиводороде коллаборации ASACUSA предстоит преодолеть еще несколько технических трудностей. Например, для уменьшения статистической погрешности надо существенно увеличить количество изготовленных атомов антиводорода. Другая, более сложная задача — научиться получать не просто атомы антиводорода, а атомы в основном энергетическом состоянии. Пока что зарегистрированный поток антиводорода состоит из атомов как в основном, так и в возбужденных состояниях, вплоть до сильно возбужденных уровней с главным квантовым числом n = 43. Экспериментаторам надо научиться перекидывать такие атомы в основное состояние, причем за достаточно короткое время. Но это общая трудность для всех экспериментов с антиводородом, ASACUSA тут не исключение. Тем не менее, поскольку технически сложный ключевой этап всей методики удалось успешно реализовать, можно надеяться, что реальные физические измерения уже не за горами.