Антиводород: факты и фактики

Сколько на Земле антиводорода? Нисколько. Из антивещества на нашей планете есть лишь одна стабильная античастица (если не считать нейтрино) — антиэлектрон, то есть позитрон. Он рождается при распаде ядер, в которых слишком много протонов; испустив позитрон, лишний протон становится нейтроном, и ядро приобретает стабильность. Долетают к нам и позитроны космических лучей — подсчитывая их число, астрофизики пытаются понять, существуют или нет во Вселенной области со скоплениями антиматерии. Решение этого вопроса очень важно для фундаментальной физики поскольку в Солнечной системе антивещества нет и быть не может — в противном случае оно бы постоянно аннигилировало с веществом. Если же антивещества в обозримом количестве нет и во всей Вселенной, тогда нарушается принцип симметрии, ведь оба вида материи равноправны ив Большом взрыве должны бы родиться в одинаковом количестве. Видимое отсутствие антивещества — одна из величайших загадок нашего мира. Впрочем, антивещество можно получить искусственно, создав антипротон и соединив его с позитроном в атом антиводорода.

Кто первым получил антиводород? Это сделали в ЦЕРНе в 1996 году на установке LEAR (от low energy antiproton ring, то есть кольцо с антипротонами низкой энергии), но то были считаные атомы, полученные в весьма экзотических условиях. К надежному производству с гарантированным выходом антиводорода в ЦЕРНе приступили в 2002 году в эксперименте ATHENA.

Как синтезируют компоненты для изготовления антиводорода? Антипротоны берутся из столкновения разогнанных до высокой скорости протонов с массивной мишенью. Теряя энергию при ударе, протон порождает новые частицы, среди которых есть и протоны, и антипротоны. Чем больше энергия исходного протона, тем больше будет и дочерних частиц: так работает эйнштейновский принцип перехода массы в энергию и энергии в массу. Ядра антиводорода научились получать давно, как только появились мощные ускорители, — первые антипротоны сделали в Калифорнийском университете на знаменитом Беватроне в 1955 году. В 1965-м в Брукхейвенской лаборатории синтезировали ядра антидейтерия — антидейтроны, то есть сумели соединить антипротон с антинейтроном. Антитритоны появились в 1970 году стараниями советских физиков из Протвино. Источником позитронов служит распад ядер натрия-22. А вот окружить антиядро позитронной оболочкой долго не удавалось.

В чем главная проблема получения антиводорода? В высокой энергии исходных компонентов. Для того чтобы антипротон соединился с позитроном, они должны хорошо сблизиться. Очевидно, что «горячим» частицам это сделать гораздо труднее, чем «холодным», а рождаются обе частицы именно «горячими», и чем больше рождается антипротонов, тем они «горячее». Поэтому главная забота — их охладить. И прежде всего надо охладить антипротоны, ведь они при рождении обладают колоссальной энергией — 2,7 ГэВ. Это делают с помощью электромагнитных полей в специальном ускорительном кольце — протонном деселераторе (видимо, это слово — антоним акселератора-ускорителя). В настоящее время за 100 секунд энергию снижают до примерно 5 МэВ с малыми потерями: на выходе из деселератора после каждого удара протонного пучка по мишени получается партия из десятков миллионов антипротонов. Однако и эта энергия очень велика, поэтому далее следует каскад охлаждения. Сначала поток антипротонов ударяется о мембрану из фольги, за которой стоит электромагнитная ловушка. В фольге большая часть антипротонов теряется, но часть, избежав прямого столкновения с веществом, теряет свою энергию, и на выходе в ловушке оказывается несколько десятков тысяч антипротонов с энергией 5 кэВ, а более горячие ее проходят насквозь. Сейчас в ЦЕРНе смонтировали альтернативную установку, в которой протоны сперва охлаждают с помощью микроволнового излучения до 100 кэВ, а потом уже бьют получившимся холодным пучком по тонкой пленке ПЭТФ. Размер у этой установки гораздо больше, но и выход охлажденных антипротонов в 5—50 раз выше. Первые атомы антиводорода с ее помощью в эксперименте ASACUSA получены в 2014 году.

На этом путешествие антипротонов по каскаду не окончено: они попадают в плотное облако электронов. Поскольку это разные типы элементарных частиц (антипротоны — адроны, а электроны лептоны), они не могут аннигилировать, но при соударении электроны, в силу своей многочисленности, быстро отбирают энергию и излучают ее вовне. Всего за несколько секунд антипротоны приобретают ту температуру, что была у электронов, затем последних из ловушки выталкивают. Повторяя эту процедуру со все более холодной электронной плазмой, температуру антипротонов снижают примерно до 100 К. В принципе этот метод позволяет охлаждать и далее, однако на практике это не удается — видимо, начинает сказываться нагрев от стенок аппаратуры. Для синтеза антиводорода, как оказалось, этого уже достаточно, но вот для того, чтобы эти антиатомы поймать и удержать, еще нет.

Холодные антипротоны попадают в камеру смешения, которая окружена электромагнитной ловушкой нейтральных антиатомов. А с другой стороны туда вползает облако холодных позитронов. Их охлаждают в одну стадию (благо начальная энергия позитронов гораздо меньше, чем у антипротонов) с помощью разреженного газа — азота: при столкновении с его тяжелой молекулой позитрон отдает много своей энергии, и за несколько секунд облако охлаждается до 9 эВ. Накопив несколько сотен миллионов позитронов в ловушке, их отправляют в смесительную камеру. При столкновениях с позитронами антипротоны еще более охлаждаются, и вскоре начинается образование антиатомов. Например, слияние облаков из 90 тыс антипротонов и 1,6 млн позитронов дает 25 тыс. антиатомов.

Так будут получать антиводород для эксперимента ASACUSA, в котором антиатомы охлаждаются во время полета внутри ловушки, после чего предполагается проведение точных спектроскопических измерений. («Nature Communications» — полный текст)

Как еще можно делать антиводород? Столкнуть антипротоны с атомами позитрония. Позитроний — искусственное образование, экзотический атом, состоящий из позитрона и электрона. Его можно возбудить так, чтобы расстояние между обеими частицами стало большим — физики это называют «получить ридберговский атом», — и тогда при столкновении с антипротонами антиводород образуется более интенсивно. Недостаток этого метода — трудности в создании большого числа позитрониев, которые и живут-то считаные мгновения. На практике позитроны накапливают в холодной губке из диоксида кремния в непосредственной близости от облака антипротонов. Этот метод предполагают использовать в дальнейших экспериментах.

Что происходит с антиатомами после образования? В первых опытах они просто улетали и аннигилировали, давая характерные следы на детекторе. Дело в том, что ловить нейтральные атомы гораздо труднее, чем заряженные частицы. Единственное, что можно использовать, — наличие у них довольно слабого магнитного момента. Для этого нужно строить ловушку из мощных магнитов, причем размещать ее внутри электромагнитной ловушки для антипротонов и позитронов. Поля и оборудование всех этих ловушек могут мешать друг другу, так что задача совсем не тривиальна. После долгих трудов у физиков из ЦЕРНа получилась ловушка, которая может удержать очень холодные атомы — с температурой не более 0,5 К. Поэтому в 2002 году антиводороды с температурой около 300 К поймать не удалось. Зато к 2011 году — за счет снижения температуры позитронов — относительно холодные антиводороды стали получаться и задерживаться в ловушке. В эпохальном эксперименте конца 2010-го исследователям из сообщества ALPHA («Nature») удалось поймать 38 атомов за 335 попыток. Это было расценено как величайший успех, подтвердивший справедливость заложенных в эксперименте идей и обеспечивший возможность дальнейшего продвижения к изучению свойств антиводорода. Действительно, уже в апреле 2011 года считаные антиводороды жили в ловушке многие минуты — до 1000 секунд. Этого вполне достаточно для измерений, которые проводят, подсчитывая следы аннигиляции антиатомов, выпущенных из ловушки после какой-то манипуляции.

Зачем нужен антиводород? В принципе, если сделать много антивещества, оно послужит идеальным топливом более полного превращения массы в энергию, чем аннигиляция, придумать нельзя, ближе всего к ней по эффективности разве что энергия излучения Хокинга при испарении черной дыры. Но поскольку антивещество получают считаными атомами, единственное, на что оно годится, — постановка тонких экспериментов. Их цель — попытаться найти хоть какие-то различия в устройстве вещества и антивещества. Первый успех был достигнут в январе 2017 года («Nature» — полный текст в PDF). К этому времени оборудование эксперимента ALPHA было модернизировано: в ловушке удавалось смешивать антиатомы, полученные в нескольких попытках, так что в среднем там оказывалось 14 атомов на попытку по сравнению с прежними 1,2. С этими атомами и поставили эксперимент по изучению резонансной линии поглощения электромагнитного излучения. Для водорода она хорошо известна, известны и последствия поглощения кванта энергии: атом может ионизироваться и покинуть ловушку либо испустить фотон и остаться в ней. Антиатомы возбуждали излучением точно такой же длины, какая нужна водороду, или с отклонением от нее. Результат оказался ожидаемым — с вероятностью 200 шансов на триллион резонансные частоты света для атома и антиатома водорода в магнитном поле совпадают. Эти данные еще будут проверять в других экспериментах, но значительного различия в спектрах вряд ли кто-то ожидает. Принципиальное различие между веществом и антивеществом может быть обнаружено в другом эксперименте — гравитационном.

Какие различия в гравитационном поведении антиводорода ожидают обнаружить физики? По абсолютному значению массы водорода и антиводорода должны быть равны — этого требует принцип эквивалентности гравитационной и инерционной масс. Однако главная интрига состоит в том, что он не запрещает антивеществу обладать свойством антигравитации. Это предположение ниоткуда не следует, но оно и не противоречит современной физике. А если оно верно, то в поле Земли антиатом должен двигаться не вниз, а вверх. И заметить это можно только на антиатоме, потому что заряженные античастицы слишком сильно взаимодействуют с электрическими полями, чтобы гравитационный эффект был наблюдаем. В 2013 году то же сообщество ALPHA поставило первый эксперимент — атомы антиводорода выпускали из ловушки и по следам аннигиляции смотрели, куда они полетят. Всего были изучены пути 434 антиатомов, причем исследователи проверяли не знак массы, а принцип эквивалентности в целом: сравнивали результаты эксперимента с расчетом для отношения гравитационной массы к инерционной в интервале от -100 до 100. Было установлено, что это отношение лежит в пределах от -65 до +75, если принимать во внимание только данные статистической обработки. Результат не выдающийся, но он дает ориентир (сильного отклонения от принципа эквивалентности для антивещества ожидать не стоит) и направление действия — охлаждать антигаз дальше и увеличивать длину пробега антиатомов после того, как их выпустили из ловушки. Чтобы узнать подробности, готовят еще два эксперимента.

В эксперименте ALPHA, выпущенные из ловушки 434 антиатома аннигилировали на стенках детектора. Чем дольше они летели, тем сильнее должны были отклоняться под действием гравитации вниз или под действием антигравитации вверх. Как видно, все траектории, кроме одной, лежат в области, показанной серым, в которой нет возможности различить гравитацию и антигравитацию. Окружностями отмечены координаты точек аннигиляции по вертикальной оси, треугольниками – по поперечной оси. («Nature Communications» – полный текст)

В первом из них, AEgIS, который должен был стартовать еще в 2015 году, но так до сих пор и не начался из-за трудностей с финансированием (сообщество даже собирает добровольные пожертвования), поиск антигравитации будет идти напрямую. Идея этого эксперимента такова. Представим поток частиц, которые в общем-то летят не параллельно. Он проходят через две ширмы с горизонтальными щелями, и те вырезают узкие полоски из этого потока, оставив только частицы, летящие примерно параллельно. Попав в фотопластинку детектора, они оставят следы в виде полос. Если на частицу действует вертикальная сила, она придаст ей ускорение, и полоса сместится. Эту идею опробовали на холодных антипротонах, летящих в магнитном поле, которое было в десять раз сильнее притяжения Земли, и получили вполне различимое смещение. Теперь схему доработают — масштаб установки нужно увеличить в десять раз — и опробуют на антиводородах. Их как раз получат в реакции с ридберговскими позитрониями: тогда и антиводород выйдет ридберговским, то есть будет обладать большим дипольным моментом, и его движением удастся управлять электрическими полями.

Схему установки для определения гравитацонной массы антиводорода в эксперименте AEgIS опробовали на антипротонах. При движении они отклонились вверх от прорезей шаблона (точки со следами аннигиляции лежат выше потемневших от света участков фотопластинки). («Nature Communications» – полный текст)

В другом эксперименте, GBAR, также планируют получать антиводород в реакции с позитронием, но облако последних должно быть таким плотным, чтобы к антиводороду прилип еще один позитрон, образовав положительно заряженный ион. Распадом натрия получить такую плотность позитронов невозможно, а кроме того, нужен и более мощный источник холодных антипротонов. Поэтому научный коллектив ждет запуска в ЦЕРНе нового деселератора антипротонов сверхнизкой энергии — ELENA (его должны запустить в 2017 году, а снабжать он будет сразу четыре эксперимента с антивеществом). Но даже в этом случае ожидается образование лишь трех ионов антиводорода за одну попытку. Эти ионы затем охладят облаком сверххолодных ионов бериллия до температуры в тысячные доли градуса, и тогда станет возможным тонкий эксперимент по определению ускорения свободного падения антиводорода: лазерным импульсом от иона отделят лишний позитрон, и ставший нейтральным атом начнет свое движение в вертикальной вакуумной камере под действием гравитации. Ускорение будут рассчитывать по времени, прошедшему между вспышкой лазера и аннигиляцией антиводорода. И если вдруг окажется, что антиатом летит не вниз, а вверх, в физике свершится настоящая революция, которая заставит пересмотреть многие концепции.