Физики запустили две экспериментальные установки, которые, возможно, помогут ответить на вопрос, почему всё вокруг состоит из вещества, а не антивещества. На сей раз речь идёт о проверке влияния гравитации на антиматерию. О начале научных работ сообщает сайт Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN).
Как известно, у каждой элементарной частицы есть своя античастица: у электрона – антиэлектрон (позитрон), у протона – антипротон, и так далее. Античастица отличается от своей частицы знаком электрического заряда.
Практически во всём остальном антиматерия совершенно аналогична материи. Она может образовывать антиатомы из антипротонов и антиэлектронов. Теоретически из них могли бы получиться антизвёзды, антипланеты и даже антилюди.
Проблема в том, что при встрече частицы со своим двойником происходит бурная реакция (аннигиляция), в результате которой оба "заклятых друга" превращаются в фотоны (если столкновение происходит на большой скорости, возможно образование и других частиц, но в данном случае это несущественно). Так что, будь во Вселенной поровну вещества и антивещества, она была бы пуста и заполнена излучением. Нам очень повезло, что материи по каким-то причинам оказалось больше, чем антиматерии.
Но всё же почему так произошло? Чем таким вещество и антивещество отличаются друг от друга, что первое образовалось в большем количестве?
Пока у учёных нет однозначного ответа на этот вопрос. Изучать антиматерию невероятно сложно, поскольку, как уже говорилось, при малейшем контакте с материей она исчезает, превращаясь в излучение. Такие эксперименты требуют глубокого вакуума и мощных магнитных полей, удерживающих частицы от столкновения со стенками камеры.
На днях в CERN запустили два новых эксперимента, призванных проверить, во всём ли материя аналогична антиматерии. На сей раз проверке подвергнутся её гравитационные свойства.
Как известно из курса физики средней школы, все тела падают на землю с одним и тем же ускорением. Пёрышко и чугунная гиря, сброшенные с одной и той же высоты, достигали бы пола одновременно, если бы им не мешало сопротивление воздуха.
Эта истина многократно проверялась в опытах с материей. Но остаётся ли она справедливой, когда речь идёт об антивеществе? Это и предстоит проверить физикам.
Первый из экспериментов носит название ALPHA-g. Он во многом аналогичен своему прототипу – эксперименту ALPHA. В этой установке сначала получаются антипротоны, а затем они связываются с позитронами, полученными из излучения радиоактивного натрия-22. В результате получаются атомы антиводорода. Они удерживаются в магнитной ловушке, а лазерное облучение служит "зондом", позволяющим изучать их свойства.
Отличие ALPHA-g в том, что вакуумная камера расположена не горизонтально, а вертикально. Получив антиатом, физики выключают магнитное поле. Единственной силой, действующей на антивещество, остаётся гравитация, и антиводород, естественно, падает. Рано или поздно он встречается с обычным веществом и уничтожается. При этом происходит вспышка, которую фиксируют приборы. Так учёные вычисляют, на какой высоте антиатом перестал существовать. После этого, зная высоту и время падения, можно вычислить ускорение, которому подвергалась антиматерия.
Второй эксперимент носит называется GBAR. Здесь физики также получают антиводород, но не в виде нейтральных атомов, а в виде ионов (на один антипротон приходится два позитрона). В магнитной ловушке антиионыохлаждаются лазерным облучением до десяти миллионных долей градуса выше абсолютного нуля.
За этим следует другой лазерный импульс, отрывающий лишний позитрон и превращающий антиион в нейтральный атом антиводорода. После этого атомы падают с высоты 20 сантиметров, а исследователи следят, через какое время они завершат падение.
Первый пучок антипротонов в эксперименте ALPHA-g был получен 30 октября 2018 года. GBAR прошёл эту отметку ещё 20 июля, и с тех пор инженеры работали над настройкой оборудования.
Исследователи из обоих проектов надеются получить первые результаты до того, как лаборатории закроются на техническое обслуживание. Это произойдёт через несколько недель, а продолжительность паузы составит долгие два года. За этот период инженеры проверят и наладят всё необходимое оборудование.
Джеффри Хэнгст (Jeffrey Hangst) из коллаборации ALPHA-g говорит:
"Мы надеемся, что у нас будет возможность сделать первые гравитационные измерения с антиматерией, но это гонка со временем".
"Эксперимент GBAR использует совершенно новое оборудование и антипротонный луч, все ещё находящийся на этапе ввода в эксплуатацию. Мы надеемся на [начало] получения антиводорода в этом году и работаем над тем, чтобы быть готовыми измерить гравитационные эффекты на антиматерии, когда [получение] антипротонов возобновится в 2021 году", –
вторит ему Патрис Перес (Patrice Perez) из коллаборации GBAR.
Если будет обнаружено, что гравитация действует на антиматерию иначе, чем на материю, это будет, бесспорно, одним из величайших научных открытий в истории физики.